Thousands of exoplanets have now been discovered with a huge range of masses, sizes and orbits: from rocky Earth-like planets to large gas giants grazing the surface of their host star. However, the essential nature of these exoplanets remains largely mysterious: there is no known, discernible pattern linking the presence, size, or orbital parameters of a planet to the nature of its parent star. We have little idea whether the chemistry of a planet is linked to its formation environment, or whether the type of host star drives the physics and chemistry of the planet's birth, and evolution. ARIEL was conceived to observe a large number (~1000) of transiting planets for statistical understanding, including gas giants, Neptunes, super-Earths and Earth-size planets around a range of host star types using transit spectroscopy in the 1.25–7.8 μm spectral range and multiple narrow-band photometry in the optical. ARIEL will focus on warm and hot planets to take advantage of their well-mixed atmospheres which should show minimal condensation and sequestration of high-Z materials compared to their colder Solar System siblings. Said warm and hot atmospheres are expected to be more representative of the planetary bulk composition. Observations of these warm/hot exoplanets, and in particular of their elemental composition (especially C, O, N, S, Si), will allow the understanding of the early stages of planetary and atmospheric formation during the nebular phase and the following few million years. ARIEL will thus provide a representative picture of the chemical nature of the exoplanets and relate this directly to the type and chemical environment of the host star. ARIEL is designed as a dedicated survey mission for combined-light spectroscopy, capable of observing a large and well-defined planet sample within its 4-year mission lifetime. Transit, eclipse and phase-curve spectroscopy methods, whereby the signal from the star and planet are differentiated using knowledge of the planetary ephemerides, allow us to measure atmospheric signals from the planet at levels of 10–100 part per million (ppm) relative to the star and, given the bright nature of targets, also allows more sophisticated techniques, such as eclipse mapping, to give a deeper insight into the nature of the atmosphere. These types of observations require a stable payload and satellite platform with broad, instantaneous wavelength coverage to detect many molecular species, probe the thermal structure, identify clouds and monitor the stellar activity. The wavelength range proposed covers all the expected major atmospheric gases from e.g. H2O, CO2, CH4 NH3, HCN, H2S through to the more exotic metallic compounds, such as TiO, VO, and condensed species. Simulations of ARIEL performance in conducting exoplanet surveys have been performed – using conservative estimates of mission performance and a full model of all significant noise sources in the measurement – using a list of potential ARIEL targets that incorporates the latest available exoplanet statistics. The conclusion at the end of the Phase A study, is that ARIEL – in line with the stated mission objectives – will be able to observe about 1000 exoplanets depending on the details of the adopted survey strategy, thus confirming the feasibility of the main science objectives.

We measured maps of atmospheric water (H2O) and its deuterated form (HDO) across the martian globe, showing strong isotopic anomalies and a significant high deuterium/hydrogen (D/H) enrichment indicative of great water loss. The maps sample the evolution of sublimation from the north polar cap, revealing that the released water has a representative D/H value enriched by a factor of about 7 relative to Earth's ocean [Vienna standard mean ocean water (VSMOW)]. Certain basins and orographic depressions show even higher enrichment, whereas high-altitude regions show much lower values (1 to 3 VSMOW). Our atmospheric maps indicate that water ice in the polar reservoirs is enriched in deuterium to at least 8 VSMOW, which would mean that early Mars (4.5 billion years ago) had a global equivalent water layer at least 137 meters deep.

Heat transport and ice sublimation in comets are interrelated processes reflecting properties acquired at the time of formation and during subsequent evolution. The Microwave Instrument on the Rosetta Orbiter (MIRO) acquired maps of the subsurface temperature of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, at 1.6 mm and 0.5 mm wavelengths, and spectra of water vapor. The total H2O production rate varied from 0.3 kg s(-1) in early June 2014 to 1.2 kg s(-1) in late August and showed periodic variations related to nucleus rotation and shape. Water outgassing was localized to the "neck" region of the comet. Subsurface temperatures showed seasonal and diurnal variations, which indicated that the submillimeter radiation originated at depths comparable to the diurnal thermal skin depth. A low thermal inertia (~10 to 50 J K(-1) m(-2) s(-0.5)), consistent with a thermally insulating powdered surface, is inferred.

We describe the design and construction of GREAT, the German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies operated on the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA). GREAT is a modular dual-color heterodyne instrument for highresolution far-infrared (FIR) spectroscopy. Selected for SOFIA's Early Science demonstration, the instrument has successfully performed three Short and more than a dozen Basic Science flights since first light was recorded on its April 1, 2011 commissioning flight. We report on the in-flight performance and operation of the receiver that - in various flight configurations, with three different detector channels - observed in several science-defined frequency windows between 1.25 and 2.5 THz. The receiver optics was verified to be diffraction-limited as designed, with nominal efficiencies; receiver sensitivities are state-of-the-art, with excellent system stability. The modular design allows for the continuous integration of latest technologies; we briefly discuss additional channels under development and ongoing improvements for Cycle 1 observations. GREAT is a principal investigator instrument, developed by a consortium of four German research institutes, available to the SOFIA users on a collaborative basis.

Abstract The JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) of ESA was launched on 14 April 2023 and will arrive at Jupiter and its moons in July 2031. In this review article, we describe how JUICE will investigate the interior of the three icy Galilean moons, Ganymede, Callisto and Europa, during its Jupiter orbital tour and the final orbital phase around Ganymede. Detailed geophysical observations about the interior of the moons can only be performed from close distances to the moons, and best estimates of signatures of the interior, such as an induced magnetic field, tides and rotation variations, and radar reflections, will be obtained during flybys of the moons with altitudes of about 1000 km or less and during the Ganymede orbital phase at an average altitude of 490 km. The 9-month long orbital phase around Ganymede, the first of its kind around another moon than our Moon, will allow an unprecedented and detailed insight into the moon’s interior, from the central regions where a magnetic field is generated to the internal ocean and outer ice shell. Multiple flybys of Callisto will clarify the differences in evolution compared to Ganymede and will provide key constraints on the origin and evolution of the Jupiter system. JUICE will visit Europa only during two close flybys and the geophysical investigations will focus on selected areas of the ice shell. A prime goal of JUICE is the characterisation of the ice shell and ocean of the Galilean moons, and we here specifically emphasise the synergistic aspects of the different geophysical investigations, showing how different instruments will work together to probe the hydrosphere. We also describe how synergies between JUICE instruments will contribute to the assessment of the deep interior of the moons, their internal differentiation, dynamics and evolution. In situ measurements and remote sensing observations will support the geophysical instruments to achieve these goals, but will also, together with subsurface radar sounding, provide information about tectonics, potential plumes, and the composition of the surface, which will help understanding the composition of the interior, the structure of the ice shell, and exchange processes between ocean, ice and surface. Accurate tracking of the JUICE spacecraft all along the mission will strongly improve our knowledge of the changing orbital motions of the moons and will provide additional insight into the dissipative processes in the Jupiter system. Finally, we present an overview of how the geophysical investigations will be performed and describe the operational synergies and challenges.

The High-Resolution Receiver (HiRX) is one of two instruments of the Single Aperture Large Telescope for Universe Studies (SALTUS), a mission proposed to NASA's 2023 Astrophysics Probe Explorer. SALTUS employs a 14 m aperture, leading to a 16-fold increase in collecting area and a factor of 4 increase in the angular resolution with respect to the Herschel Space Telescope. It will be radiatively cooled to ≤45 K and has a planned duration of >5 years. HiRX consists of four bands of cryogenic heterodyne receivers with a high sensitivity and high spectral resolution, being able to observe the gaseous components of objects across the far-IR. HiRX is going to detect water, HD, and other relevant astrophysical lines while resolving them in velocity. HiRX covers the following frequency ranges: Band 1 from 455 to 575 GHz, Band 2 from 1.1 to 2.1 THz, Band 3 from 2.475 to 2.875 THz, and Band 4 for both 4.744 and 5.35 THz. Bands 1 to 3 contain single, high-performance mixers. Band 4 consists of an array of seven hexagonally packed pixels, where the central pixel operates as a heterodyne mixer. Band 1 utilizes superconducting-insulator-superconducting mixers (SIS), whereas Bands 2 to 4 use superconducting hot electron bolometers (HEB) mixers. The local oscillator (LO) system uses frequency-multiplier chains for Bands 1 and 2, and quantum cascade lasers for Bands 3 and 4. Autocorrelator spectrometers are used to process the intermediate frequency (IF) signals from each science band, providing instantaneous frequency coverage of 4 to 8 GHz for Band 1 and 0.5 to 4 GHz for Bands 2 to 4. SALTUS will also fly a chirp transform spectrometer system for high spectral resolution observations in Band 1.

The Moon formed 4.5 Ga ago through a collision between proto-Earth and a planetesimal known as Theia. The compositional similarity of Earth and Moon puts tight limits on the isotopic contrast between Theia and proto-Earth, or it requires intense homogenization of Theia and proto-Earth material during and in the aftermath of the Moon-forming impact, or a combination of both. We conducted precise measurements of oxygen isotope ratios of lunar and terrestrial rocks. The absence of an isotopic difference between the Moon and Earth on the sub-ppm level, as well as the absence of isotope heterogeneity in Earth’s upper mantle and the Moon, is discussed in relation to published Moon formation scenarios and the collisional erosion of Theia’s silicate mantles prior to colliding with proto-Earth. The data provide valuable insights into the origin of volatiles in the Earth and Moon as they suggest that the water on the Earth may not have been delivered by the late veneer. The study also highlights the scientific value of samples returned by space missions, when compared to analyses of meteorite material, which may have interacted with terrestrial water.

The cosmic deuterium fraction, set by primordial nucleosynthesis and diminished by subsequent astration, is a valuable diagnostic tool to link the protosolar nebula to the history of star formation. However, in the present-day Solar System, the deuterium fraction in various carriers varies by more than an order of magnitude and reflects environmental conditions rather than the protosolar value. The latter is believed to be preserved in the atmospheres of the gas giant planets, yet determinations inferred from the CH 3 D/CH 4 pair require a larger fractionation correction than those from HD/H 2 , which are close to unity. The question of whether a stratospheric emission feature contaminates the absorption profile forming in subjacent layers was never addressed, owing to the lack of spectral resolving power. Here we report on the determination of the Jovian deuterium fraction using the rotational ground-state line of HD ( J = 1–0) at λ 112 μm. Employing the GREAT heterodyne spectrometer on board SOFIA, we detected the HD absorption and, thanks to the high resolving power, a weak stratospheric emission feature underneath; the former is blue-shifted with respect to the latter. The displacement is attributed to a pressure-induced line shift and reproduced by dedicated radiative-transfer modeling based on recent line-profile parameters. Using atmospheric standard models, we obtained D/H = (1.9 ± 0.4) × 10 −5 , which agrees with a recent measurement in Saturn’s atmosphere and with the value inferred from solar-wind measurements and meteoritic data. The result suggests that all three measurements represent bona fide protosolar D/H fractions. As a supplement and test for the consistency of the layering assumed in our model, we provide an analysis of the purely rotational J = 6–5 line of CH 4 (in the vibrational ground state, at λ 159 μm).