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。
成果支撑
参与的教学研究课题：《天体力学基础》2020年被认定为首批国家一流课程
2020年获江苏省天文学会科学技术奖（第四完成人）
学术研究情况：
近五年来承担的学术研究课题（含课题名称、来源、年限、本人所起作用,不超过5项）；
1、国家自然科学基金面上项目项目批准号：11973028 ；名称：利用天体测量数据对行星系统进行统计和动力学分析研究；研究起止年月：2020/01- 2023/12；获资助总金额：60万元；在研，主持。
2、国家自然科学基金面重点项目项目批准号：11933001 ；名称：亮星系外行星搜寻与动力学研究；研究起止年月：2020/01-2024/12；获资助总金额：330万元；在研，参加。
3、国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目项目批准号：11661161014；名称：近邻红矮星周围行星形成机制和大气研究；研究起止年月：2017/01- 2019/12；获资助总金额：170万元；已结题，参加。
4、国家自然科学基金青年基金项目批准号：11503009；名称： 南极天区短周期行星搜寻与短周期行星特征研究；研究起止年月：2015/01-2018/12；获资助总金额：26.96万元；已结题，主持。
5、国家自然科学基金面重点项目项目批准号：11333002；名称：行星系统观测分析与轨道构型的形成；研究起止年月：2014/01-2018/12；获资助总金额：320万元；已结题，参加。
在国内外公开发行刊物上发表的学术论文：
1、Zhou-Yi Yu；Hui-Gen Liu*; Ji-Lin Zhou*; Dong-Hong Wu; Ming Yang; Song-Hu Wang; Hui Zhang; Zi Zhu; Jia-Cheng Liu, Searching for exoplanets with HEPS: I. detection probability of Earth-like planets in multiple systems, Research in Astronomy and Astrophysics，2019.1.4, 19, 1: p4-15;
2、 Hui-Gen Liu*;Peng Jiang*; Xingxing Huang; Zhou-Yi Yu; Ming Yang; Minghao Jia; et al., Searching for the Transit of the Earth-mass Exoplanet Proxima Centauri b in Antarctica: Preliminary Result, The Astronomical Journal, 2018, 155: p12-21;
3、 Yuan-Zhe Dai; Hui-GenLiu*; Wen-Bo Wu; Ji-Wei Xie; Ming Yang; Hui Zhang; Ji-Lin Zhou, Photoevaporation of protoplanetary gas discs due to flybys of external single stars in different orbits,MonthlyNotices of the Royal Astronomical Society, 2018.8.8, 480: p4080-4098；
4、 Wu, Dong-Hong; Liu, Hui-Gen*; Yu, Zhou-Yi; Zhang, Hui; Zhou, Ji-Lin, DETECTING PLANET PAIRS IN MEAN MOTION RESONANCES VIA THE ASTROMETRY METHOD, Astrophysical Journal, 2016.07.1, 825,1,p76-98;
更多SCI 期刊论文参见:
https://ui.adsabs.harvard.edu/search/q=docs(library%2FPE8f2LWFS8uAeu20GOqpyw)&sort=date%20desc%2C%20bibcode%20desc&p_=0
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。
实验原理示意图
本实验设计紧密贴合《行星大气概论》课程的教学内容（如下图），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。
本实验与《行星大气概论》课程知识点的联系图
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：
Ø 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；
Ø 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；
Ø 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） 。
实验教学目标示意图。
成绩评定
实验每个环节结束都有考核和小结。
环节一：主要是行星吸收光谱的信号模拟，考查学生对原理的掌握和熟悉程度；
环节二：结合学生自主选择的行星系统，让学生结合该系统的参数，进行特征估计，和程序计算结果进行对比，以准确度来评估得分；此外望远镜选择和方案设计采用选择的方式，利用程序判断学生选择是否正确合理。并采用限时完成的方式，让学生结合实测数据，在限定时间内，调整获得较为准确的单次曝光时间。
环节三：让学生利用获取的数据，自主判断评估光谱数据在指定波段的信噪比，根据信噪比计算的准确度进行打分；最后根据学生答题结果和实验步骤完成情况给出最后评分，并生成学生的本次实验报告。
具体赋分模型请实验中，参见小结报告和实验报告。