利用HWO表征气态巨行星系外行星的科学潜力

《Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems》：Science potential of characterizing gas giant exoplanets with HWO

　　凭借直接成像类地系外行星并搜索其大气中生物特征标志的能力，即将推出的宜居世界天文台（HWO）还将收集附近气态巨行星的高信噪比（S/N）反射光测光和光谱数据。此类高质量数据将使科学家能够研究低质量、低温气态巨行星的形成与演化，并可能实现对围绕这些行星运行的系外卫星的探测。我们使用EXOSIMS直接成像任务模拟器，对ExEP目标列表中164颗恒星周围处于类地和类木星星照水平的木星半径气态巨行星进行HWO观测建模（1.3秒差距 ≤ d ≤ 23秒差距）。我们发现，HWO应能在5分钟积分时间内，在此星照范围内实现对气态巨行星信噪比≥5的宽带可见光探测。在类木星星照水平下，使用HWO进行10小时R=1000的近红外光谱观测应能揭示围绕任何ExEP恒星运行的气态巨行星大气中的水、甲烷和氨的吸收特征，从而为了解具有广泛半长轴和质量范围的气态巨行星的形成条件和历史提供独特洞察。HWO的光学光变测光应在d ≤ 7秒差距处对类木星星照水平的气态巨行星，以及在任意ExEP目标恒星周围对类地星照水平的气态巨行星，达到超过1%的通量精度。以该周期和精度获取的光变曲线在数十小时内可揭示与木星相当的由自转引起的变异性。对于d ≤ 10秒差距ExEP恒星宜居带中的木星大小行星，在高频光变曲线（约5分钟曝光）中可能探测到火星大小系外卫星的掩食。对于距太阳系d ≤ 7秒差距的任何假设的具有富氧大气的类地系外卫星，HWO可能能够在R=1000、深积分（约400小时）的HWO光谱观测中，在主星的光子噪声中探测到分子氧的光谱特征。如果此类卫星存在，它们将代表额外的宜居世界，HWO可以对其生物特征标志进行调查。