类地系外行星表面的理论光谱

我们利用一个自洽处理反射和热发射的理论框架，研究无大气岩石系外行星的光谱。我们发现，系外行星上的硅酸盐表面可通过 7 - 13 $\mu$m 和 15 - 25 $\mu$m 热发射波段中显著的 Si-O 特征进行光谱探测。对于一个无大气的类地球行星，由硅酸盐特征引起的亮温变化可达 20 K，且这些硅酸盐特征足够宽，可利用相对高分辨率的光谱与大气特征区分开来。因此，表面表征提供了一种明确识别岩石系外行星的方法。此外，通过行星在近红外宽波段的反射光谱，可以识别特定的岩石表面类型。一个关键的观测参数是 K 波段与 J 波段几何反照率之差 ($A_g (K)-A_g (J)$)：$A_g (K)-A_g (J) > 0.2$ 表明该行星超过一半的表面富含镁铁质矿物，如橄榄石和辉石，换言之，即来自岩浆洋或高温熔岩的原始地壳；$A_g (K)-A_g (J) < -0.09$ 表明该行星超过一半的表面被水冰或水合硅酸盐覆盖或部分覆盖，暗示其表面现存或曾经有水。此外，表面水冰可通过 H 波段几何反照率低于 J 波段几何反照率来特别区分。这些表面特征可与可能的大气特征区分开来，方法是通过透射光谱学识别大气物种的分子。因此，我们提出，系外行星的中红外光谱学可探测岩石表面，而近红外分光光度学可识别超镁铁质表面、水合表面和水冰。