實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介：

本實(shí)驗(yàn)依托南京大學(xué)雙一流A+學(xué)科——天文學(xué)的《行星大氣概論》專業(yè)課，借助虛擬仿真技術(shù)，搭建了低成本、可容錯(cuò)、自由度高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，克服了學(xué)生難以實(shí)操大型望遠(yuǎn)鏡的缺憾（大型天文望遠(yuǎn)鏡，空間望遠(yuǎn)鏡視頻），突破了傳統(tǒng)天文觀測(cè)中天氣、臺(tái)址等客觀因素的限制，讓學(xué)生可以全天候、多臺(tái)址、自主地進(jìn)行大氣透射光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)以光譜探測(cè)原理與觀測(cè)實(shí)踐并重，呈現(xiàn)天文學(xué)科中“理論指導(dǎo)觀測(cè)，觀測(cè)反饋理論”的科學(xué)互動(dòng)模式，以生動(dòng)形象的仿真要素，結(jié)合觀察法、自主設(shè)計(jì)法、控制變量法和歸納法等多種實(shí)驗(yàn)方法，協(xié)助學(xué)生理解課程理論知識(shí)，掌握天文觀測(cè)實(shí)踐能力。 實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)環(huán)節(jié)，分別讓學(xué)生

(1)理解光譜探測(cè)的物理原理；      

(2)學(xué)會(huì)針對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)方案設(shè)計(jì)，并獲取光譜數(shù)據(jù)； 

(3)掌握數(shù)據(jù)處理流程，評(píng)估光譜信噪比，確定行星大氣成分。 

本實(shí)驗(yàn)于2019年開(kāi)始應(yīng)用，2019年在南京大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)運(yùn)行，已納入天文系課程體系建設(shè)，目前已有約100人次完成學(xué)習(xí)，并對(duì)部分高校開(kāi)放共享。實(shí)驗(yàn)有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和動(dòng)手觀測(cè)能力。 

未來(lái)5年，實(shí)驗(yàn)將結(jié)合最新的科研動(dòng)態(tài)，持續(xù)建設(shè)。并逐步拓展非天文專業(yè)的學(xué)生用戶，促進(jìn)新興交叉學(xué)科——行星科學(xué)的發(fā)展，體現(xiàn)天文學(xué)魅力，讓更多人從實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)受益。

實(shí)驗(yàn)背景：

系外行星是天文研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，目前已經(jīng)找到四千多顆系外行星，但對(duì)行星的精細(xì)刻畫還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。行星大氣對(duì)行星氣候至關(guān)重要，是判斷宜居性的關(guān)鍵因素。目前借助地面和空間望遠(yuǎn)鏡，已探測(cè)到部分系外行星大氣中含有水、二氧化碳、一氧化碳等大氣成分，但主要是類木行星的大氣探測(cè)，類地行星的探測(cè)還很少。因此系外行星大氣探測(cè)是未來(lái)行星宜居性研究的關(guān)鍵，是未來(lái)10年行星科學(xué)研究的高地。

系外行星距離遙遠(yuǎn)，行星大氣探測(cè)精度要求極高，必須借助大型望遠(yuǎn)鏡才能實(shí)現(xiàn)，學(xué)校的傳統(tǒng)教學(xué)和學(xué)校天文臺(tái)難以提供相應(yīng)的平臺(tái)。目前探測(cè)行星大氣的望遠(yuǎn)鏡主要是空間的哈勃望遠(yuǎn)鏡，斯皮策望遠(yuǎn)鏡（已退役），時(shí)間非常寶貴，學(xué)生鮮有使用；地面望遠(yuǎn)鏡也主要是凱克等大型望遠(yuǎn)鏡有能力觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間也不易獲取，加上地面觀測(cè)受天氣、臺(tái)址等因素限制，學(xué)生很難有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為了克服上述難題，本實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了低成本、無(wú)競(jìng)爭(zhēng)、能容錯(cuò)、自由度高的行星大氣光譜探測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。   

此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合我國(guó)大型天文望遠(yuǎn)鏡較為匱乏的特點(diǎn)，希望通過(guò)實(shí)際觀測(cè)的訓(xùn)練，為我國(guó)培養(yǎng)更多的觀測(cè)方面的人才，為今后國(guó)內(nèi)觀測(cè)天文的發(fā)展儲(chǔ)備力量；為未來(lái)我國(guó)的大型項(xiàng)目（如：已經(jīng)立項(xiàng)的中國(guó)空間站望遠(yuǎn)鏡，籌備中的清華大學(xué)6.5米多目標(biāo)望遠(yuǎn)鏡等）培養(yǎng)潛在科學(xué)用戶；為系外行星大氣領(lǐng)域的科研隊(duì)伍培養(yǎng)后備人才。

設(shè)計(jì)原則：

本實(shí)驗(yàn)采用虛擬仿真技術(shù)，突破大望遠(yuǎn)鏡的硬件限制，突破時(shí)間和地域的限制，讓學(xué)生可以全天候、多臺(tái)址、自主地進(jìn)行系外行星大氣透射光譜探測(cè)的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)按三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)，融合了理論-觀測(cè)-數(shù)據(jù)分析，讓學(xué)生通過(guò)不同環(huán)節(jié)，

（1）理解光譜探測(cè)行星大氣透射/反射光譜的原理；

（2）學(xué)會(huì)如何估計(jì)不同的恒星-行星系統(tǒng)的大氣透射光譜信號(hào)強(qiáng)度，并結(jié)合目標(biāo)透射光譜特征、臺(tái)址，選擇合適的望遠(yuǎn)鏡，設(shè)計(jì)觀測(cè)方案；

（3）通過(guò)光譜模擬觀測(cè)，讓學(xué)生了解光譜數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程；最后根據(jù)模擬測(cè)量的數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)光譜信噪比進(jìn)行估計(jì)，確定行星大氣成分。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)緊密貼合《行星大氣概論》課程的教學(xué)內(nèi)容，涉及的知識(shí)點(diǎn)豐富，貫穿整個(gè)課程；通過(guò)虛擬仿真新技術(shù)手段，對(duì)理論性較強(qiáng)的專業(yè)課程更進(jìn)行直觀、形象的教學(xué)嘗試；提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。本實(shí)驗(yàn)未來(lái)可以應(yīng)用在《普通天文學(xué)》，《實(shí)測(cè)天體物理》等天文學(xué)專業(yè)課程中。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

希望學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，具備初步的觀測(cè)方案設(shè)計(jì)能力，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)不同環(huán)節(jié)中分別掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)：

 環(huán)節(jié)一：系外行星大氣透射/反射光譜產(chǎn)生原理的介紹和學(xué)習(xí)；

（1）掌握透射光譜的測(cè)量原理和特征；

（2）掌握反射和熱輻射光譜的測(cè)量原理和特征；

（3）掌握行星平衡溫度和大氣標(biāo)高的估計(jì)方法；

（4）掌握行星大氣透射光譜信號(hào)強(qiáng)度的估算方法；

 環(huán)節(jié)二：系外行星大氣觀測(cè)方案設(shè)計(jì)和模擬觀測(cè)獲取光譜數(shù)據(jù)；

（1）學(xué)會(huì)如何選擇透射光譜探測(cè)所需要的望遠(yuǎn)鏡；

（2）學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)透射光譜觀測(cè)的時(shí)間窗口，并選擇合適的觀測(cè)站點(diǎn)；

（3）了解天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)過(guò)程中，光譜數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程；

（4）理解地面觀測(cè)中，地球大氣對(duì)目標(biāo)觀測(cè)的影響（周日運(yùn)動(dòng)，大氣消光等）；

（5）學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)測(cè)的光譜數(shù)據(jù)讀數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整合適的曝光時(shí)間；

  環(huán)節(jié)三：光譜數(shù)據(jù)信噪比估計(jì)；

（1）掌握天文觀測(cè)中，常見(jiàn)的誤差來(lái)源（泊松噪聲，天光背景，讀出噪聲等）；

（2）掌握利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論模擬信號(hào)，計(jì)算光譜數(shù)據(jù)信噪比的方法；

（3）判斷行星大氣中的重要分子（例如水）。

實(shí)驗(yàn)要求：

專業(yè)與年級(jí)要求   

目前面向本校天文專業(yè)大三、大四本科生，要求完成前序相關(guān)課程《普通天文學(xué)》、《實(shí)測(cè)天體物理》，《原子物理》課程。適度開(kāi)放給本校有較好數(shù)理基礎(chǔ)的高年級(jí)本科生和研究生，以及部分合作高校的天文專業(yè)學(xué)生。

基本知識(shí)和能力要求   

本實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生參與者有以下要求：

1.具備一定專業(yè)知識(shí)：對(duì)凌星法探測(cè)系外行星有所了解、知曉吸收光譜的成因及光譜探測(cè)的原理、具備實(shí)測(cè)天體物理的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)天文觀測(cè)有一定程度的了解，能靈活運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)解決相關(guān)問(wèn)題。

2.具備具備獨(dú)立思考，文獻(xiàn)閱讀和自主調(diào)研的能力：能夠通過(guò)閱讀本實(shí)驗(yàn)中的拓展資料，主動(dòng)在課后進(jìn)行延伸學(xué)習(xí)，完善相關(guān)知識(shí)面。

3.具備誠(chéng)信的學(xué)術(shù)道德：不依靠他人獨(dú)立完成全套實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)中不得抄襲他人的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行操作。

實(shí)驗(yàn)完成后，要求學(xué)生掌握相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，并具備以下能力：

1．掌握行星透射光譜、反射光譜和熱輻射光譜的測(cè)量原理和特征；

2．掌握行星大氣標(biāo)高的計(jì)算方法；

3．具備通過(guò)行星系統(tǒng)基本參數(shù)估計(jì)透射光譜信號(hào)強(qiáng)度的能力具備根據(jù)目標(biāo)特性對(duì)觀測(cè)窗口和望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)做出正確選擇的能力；

4．了解實(shí)際天文觀測(cè)中地球大氣對(duì)觀測(cè)的影響。

5．掌握在觀測(cè)中能正確應(yīng)對(duì)觀測(cè)條件變化并對(duì)觀測(cè)策略進(jìn)行調(diào)整的能力；

6．掌握光譜信噪比的計(jì)算方式；

7.了解并掌握不同提升透射光譜信噪比途徑的原理和效果。