比邻星 b 及其他系外行星的表面成像：地形、生物标志与人工巨构

观测系外行星上的海洋、大陆、准静态天气及其他表面特征，或可使我们探测并刻画太阳系外的生命。比邻星 b 位于恒星宜居带内，其表面可能存在液态水，且可能类似地球。然而，即便规划中最大的望远镜也无法直接分辨其表面特征。本文提出一种反演技术，利用系外行星在轨道与自转过程中观测到的未分辨反射光变化间接对其表面成像：系外行星表面成像（ExoPlanet Surface Imaging, EPSI）。我们表明，反射光变曲线包含足够信息以探测经向与纬向结构并绘制系外行星表面特征图。我们通过太阳系行星与卫星以及具有类地生命和人工巨构的模拟行星为例演示了这一点。我们还描述了如何从光变曲线推断行星与轨道几何。特别地，我们展示了如何针对潮汐锁定、共振以及非锁定自转与轨道旋转成功重建比邻星 b 的反照率图。在不同波长波段获得的此类反照率图可提供遥远系外行星的“摄影”视图。我们估计了成功反演所需的信噪比，并分析了获取比邻星 b 及其他邻近系外行星首张表面图像所需的望远镜与探测器要求。