利用二聚体测量类地系外行星的生物特征与大气压力

我们提出了一种利用近红外波段的 (O2-O2) 二聚体探测类地行星大气压力的新方法。我们还表明，二聚体特征可能是类地大气中最易检测的生物特征，甚至可能在 James Webb Space Telescope (JWST) 的凌日透射观测中被检测到。二聚体的吸收随压力和密度的变化比单体更迅速，因此可以提供有关大气压力的额外信息。通过比较转动和振动特征的吸收强度与二聚体特征的吸收强度，我们表明在某些情况下可以估算行星反射表面的压力。该方法通过使用 O2 A 带和 1.06 $\mu$m 二聚体特征在透射或反射光谱中进行了演示。它最适用于围绕 M 型矮星运行、大气压力在 0.1 到 10 bars 之间且 O2 体积混合比高于地球当前水平 50% 的行星。此外，与瑞利散射观测不同，该方法可用于波长大于 0.6 $\mu$m 的情况，因此潜在适用于（尽管具有挑战性）如 JWST 等近期行星表征任务。我们还对 JWST 凌日透射光谱进行了可检测性研究，发现对于距离 5 pc 处绕 M5V 星运行的类地行星，1.06 $\mu$m 和 1.27 $\mu$m 二聚体特征可能是可检测的 (SNR$>$3)。检测这些特征可以约束系外行星的大气压力，并作为氧光合作用的生物特征。我们计算了在反射光谱中检测和表征 O2 单体和二聚体特征所需的信噪比 (SNRs)，发现需要在光谱分辨本领 R=100 下 SNRs 大于 10。