Observations to characterize planets larger than Earth but smaller than Neptune have led to largely inconclusive interpretations at low spectral resolution due to hazes or clouds that obscure molecular features in their spectra. However, here we show that high-resolution spectroscopy (R $\sim$ 25,000 to 100,000) enables one to probe the regions in these atmospheres above the clouds where the cores of the strongest spectral lines are formed. We present models of transmission spectra for a suite of GJ1214b-like planets with thick photochemical hazes covering 1 - 5 $\mu$m at a range of resolutions relevant to current and future ground-based spectrographs. Furthermore, we compare the utility of the cross-correlation function that is typically used with a more formal likelihood-based approach, finding that only the likelihood based method is sensitive to the presence of haze opacity. We calculate the signal-to-noise of these spectra, including telluric contamination, required to robustly detect a host of molecules such as CO, CO$_{2}$, H$_{2}$O, and CH$_{4}$, and photochemical products like HCN, as a function of wavelength range and spectral resolution. Spectra in M band require the lowest S/N$_{res}$ to detect multiple molecules simultaneously. CH$_{4}$ is only observable for the coolest models ($T_{\rm{eff}} =$ 412 K) and only in the L band. We quantitatively assess how these requirements compare to what is achievable with current and future instruments, demonstrating that characterization of small cool worlds with ground-based high resolution spectroscopy is well within reach.

中文翻译：

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用高分辨率光谱表征最朦胧的亚海王星系外行星的前景

由于雾霾或云团掩盖了光谱中的分子特征，对比地球大但比海王星小的行星进行表征的观测导致在低光谱分辨率下的大部分解释都没有定论。然而，在这里我们展示了高分辨率光谱（R $\sim $ 25,000 到 100,000）使人们能够探测云层上方这些大气中形成最强谱线核心的区域。我们展示了一组 GJ1214b 类行星的透射光谱模型，这些行星具有覆盖 1 - 5 $\mu$m 的厚光化学雾，在与当前和未来地面光谱仪相关的一系列分辨率下。此外，我们比较了互相关函数的效用，该函数通常与更正式的基于似然的方法一起使用，发现只有基于似然的方法对雾度不透明度的存在敏感。我们计算了这些光谱的信噪比，包括大地污染，这是稳健检测大量分子（例如 CO、CO$_{2}$、H$_{2}$O 和 CH$_{）所需的4}$ 和光化学产物如 HCN，作为波长范围和光谱分辨率的函数。M 波段的光谱需要最低的 S/N$_{res}$ 才能同时检测多个分子。CH$_{4}$ 仅在最酷的模型 ($T_{\rm{eff}} =$ 412 K) 中且仅在 L 波段中可见。我们定量评估了这些要求与当前和未来仪器可实现的要求相比如何，证明使用地面高分辨率光谱学表征小冷世界是完全可以实现的。我们计算了这些光谱的信噪比，包括大地污染，这是稳健检测大量分子（例如 CO、CO$_{2}$、H$_{2}$O 和 CH$_{）所需的4}$ 和光化学产物如 HCN，作为波长范围和光谱分辨率的函数。M 波段的光谱需要最低的 S/N$_{res}$ 才能同时检测多个分子。CH$_{4}$ 仅在最酷的模型 ($T_{\rm{eff}} =$ 412 K) 中可见，并且仅在 L 波段中可见。我们定量评估了这些要求与当前和未来仪器可实现的要求相比如何，证明使用地面高分辨率光谱学表征小冷世界是完全可以实现的。我们计算了这些光谱的信噪比，包括大地污染，这是稳健检测大量分子（例如 CO、CO$_{2}$、H$_{2}$O 和 CH$_{）所需的4}$ 和光化学产物如 HCN，作为波长范围和光谱分辨率的函数。M 波段的光谱需要最低的 S/N$_{res}$ 才能同时检测多个分子。CH$_{4}$ 仅在最酷的模型 ($T_{\rm{eff}} =$ 412 K) 中可见，并且仅在 L 波段中可见。我们定量评估了这些要求与当前和未来仪器可实现的要求相比如何，证明使用地面高分辨率光谱学表征小冷世界是完全可以实现的。和 CH$_{4}$，以及像 HCN 这样的光化学产物，作为波长范围和光谱分辨率的函数。M 波段的光谱需要最低的 S/N$_{res}$ 才能同时检测多个分子。CH$_{4}$ 仅在最酷的模型 ($T_{\rm{eff}} =$ 412 K) 中可见，并且仅在 L 波段中可见。我们定量评估了这些要求与当前和未来仪器可实现的要求相比如何，证明使用地面高分辨率光谱学表征小冷世界是完全可以实现的。和 CH$_{4}$，以及像 HCN 这样的光化学产物，作为波长范围和光谱分辨率的函数。M 波段的光谱需要最低的 S/N$_{res}$ 才能同时检测多个分子。CH$_{4}$ 仅在最酷的模型 ($T_{\rm{eff}} =$ 412 K) 中且仅在 L 波段中可见。我们定量评估了这些要求与当前和未来仪器可实现的要求相比如何，证明使用地面高分辨率光谱学表征小冷世界是完全可以实现的。