实验简介：
本实验依托南京大学双一流A+学科——天文学的《行星大气概论》专业课，借助虚拟仿真技术，搭建了低成本、可容错、自由度高的实验平台，克服了学生难以实操大型望远镜的缺憾（大型天文望远镜，空间望远镜视频），突破了传统天文观测中天气、台址等客观因素的限制，让学生可以全天候、多台址、自主地进行大气透射光谱探测实验。
实验以光谱探测原理与观测实践并重，呈现天文学科中“理论指导观测，观测反馈理论”的科学互动模式，以生动形象的仿真要素，结合观察法、自主设计法、控制变量法和归纳法等多种实验方法，协助学生理解课程理论知识，掌握天文观测实践能力。 实验分为三个环节，分别让学生
(1)理解光谱探测的物理原理；
(2)学会针对目标进行观测方案设计，并获取光谱数据；
(3)掌握数据处理流程，评估光谱信噪比，确定行星大气成分。
本实验于2019年开始应用，2019年在南京大学虚拟仿真实验教学平台运行，已纳入天文系课程体系建设，目前已有约100人次完成学习，并对部分高校开放共享。实验有效提高了学生学习热情和动手观测能力。
未来5年，实验将结合最新的科研动态，持续建设。并逐步拓展非天文专业的学生用户，促进新兴交叉学科——行星科学的发展，体现天文学魅力，让更多人从实验中学习受益。
实验背景：
系外行星是天文研究的热点问题，目前已经找到四千多颗系外行星，但对行星的精细刻画还远远不够。行星大气对行星气候至关重要，是判断宜居性的关键因素。目前借助地面和空间望远镜，已探测到部分系外行星大气中含有水、二氧化碳、一氧化碳等大气成分，但主要是类木行星的大气探测，类地行星的探测还很少。因此系外行星大气探测是未来行星宜居性研究的关键，是未来10年行星科学研究的高地。
系外行星距离遥远，行星大气探测精度要求极高，必须借助大型望远镜才能实现，学校的传统教学和学校天文台难以提供相应的平台。目前探测行星大气的望远镜主要是空间的哈勃望远镜，斯皮策望远镜（已退役），时间非常宝贵，学生鲜有使用；地面望远镜也主要是凯克等大型望远镜有能力观测，观测时间也不易获取，加上地面观测受天气、台址等因素限制，学生很难有实践经验。为了克服上述难题，本实验为学生提供了低成本、无竞争、能容错、自由度高的行星大气光谱探测的实验平台。
此外，虚拟仿真实验结合我国大型天文望远镜较为匮乏的特点，希望通过实际观测的训练，为我国培养更多的观测方面的人才，为今后国内观测天文的发展储备力量；为未来我国的大型项目（如：已经立项的中国空间站望远镜，筹备中的清华大学6.5米多目标望远镜等）培养潜在科学用户；为系外行星大气领域的科研队伍培养后备人才。
设计原则：
本实验采用虚拟仿真技术，突破大望远镜的硬件限制，突破时间和地域的限制，让学生可以全天候、多台址、自主地进行系外行星大气透射光谱探测的实验。
实验按三个环节来设计，融合了理论-观测-数据分析，让学生通过不同环节，
（1）理解光谱探测行星大气透射/反射光谱的原理；
（2）学会如何估计不同的恒星-行星系统的大气透射光谱信号强度，并结合目标透射光谱特征、台址，选择合适的望远镜，设计观测方案；
（3）通过光谱模拟观测，让学生了解光谱数据的获取过程；最后根据模拟测量的数据和理论数据对比，对光谱信噪比进行估计，确定行星大气成分。
本实验设计紧密贴合《行星大气概论》课程的教学内容，涉及的知识点丰富，贯穿整个课程；通过虚拟仿真新技术手段，对理论性较强的专业课程更进行直观、形象的教学尝试；提高学生的学习热情和积极性，提高学生学习效率。本实验未来可以应用在《普通天文学》，《实测天体物理》等天文学专业课程中。
实验目标：
希望学生通过实验，具备初步的观测方案设计能力，要求学生在实验不同环节中分别掌握相应的知识点：
环节一：系外行星大气透射/反射光谱产生原理的介绍和学习；
（1）掌握透射光谱的测量原理和特征；
（2）掌握反射和热辐射光谱的测量原理和特征；
（3）掌握行星平衡温度和大气标高的估计方法；
（4）掌握行星大气透射光谱信号强度的估算方法；
环节二：系外行星大气观测方案设计和模拟观测获取光谱数据；
（1）学会如何选择透射光谱探测所需要的望远镜；
（2）学会预测透射光谱观测的时间窗口，并选择合适的观测站点；
（3）了解天文望远镜观测过程中，光谱数据的获取过程；
（4）理解地面观测中，地球大气对目标观测的影响（周日运动，大气消光等）；
（5）学会根据实测的光谱数据读数，实时调整合适的曝光时间；
环节三：光谱数据信噪比估计；
（1）掌握天文观测中，常见的误差来源（泊松噪声，天光背景，读出噪声等）；
（2）掌握利用实测数据和理论模拟信号，计算光谱数据信噪比的方法；
（3）判断行星大气中的重要分子（例如水）。
实验要求：
专业与年级要求
目前面向本校天文专业大三、大四本科生，要求完成前序相关课程《普通天文学》、《实测天体物理》，《原子物理》课程。适度开放给本校有较好数理基础的高年级本科生和研究生，以及部分合作高校的天文专业学生。
基本知识和能力要求
本实验对学生参与者有以下要求：
1.具备一定专业知识：对凌星法探测系外行星有所了解、知晓吸收光谱的成因及光谱探测的原理、具备实测天体物理的基础知识，对天文观测有一定程度的了解，能灵活运用学到的知识解决相关问题。
2.具备具备独立思考，文献阅读和自主调研的能力：能够通过阅读本实验中的拓展资料，主动在课后进行延伸学习，完善相关知识面。
3.具备诚信的学术道德：不依靠他人独立完成全套实验操作内容，实验中不得抄袭他人的实验报告进行操作。
实验完成后，要求学生掌握相应知识点，并具备以下能力：
1．掌握行星透射光谱、反射光谱和热辐射光谱的测量原理和特征；
2．掌握行星大气标高的计算方法；
3．具备通过行星系统基本参数估计透射光谱信号强度的能力具备根据目标特性对观测窗口和望远镜设计做出正确选择的能力；
4．了解实际天文观测中地球大气对观测的影响。
5．掌握在观测中能正确应对观测条件变化并对观测策略进行调整的能力；
6．掌握光谱信噪比的计算方式；
7.了解并掌握不同提升透射光谱信噪比途径的原理和效果。
