何秋會(huì)，陳安東,王牧天,張必成,王婉好,陳 亮,彭志欣,劉慧根

（南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，南京，210023）

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和深入，教育信息化受到國(guó)家的高度重視，教育部高等教育司開展了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)［1］.在推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的同時(shí)，也積極開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能［2］.國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作全面展開以來(lái)，教育部大力倡導(dǎo)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)［3］.

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)用信息化技術(shù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象［4］，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中時(shí)間和地域的限制，降低實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的成本，提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的真正開放，鍛煉和開發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性.

1995 年人類發(fā)現(xiàn)了第一顆類太陽(yáng)恒星周圍的系外行星飛馬座51b［5］.在這之后，系外行星領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，基于太陽(yáng)系行星系統(tǒng)的行星形成和演化理論被不斷革新［6］，系外行星方向成為天文研究的熱點(diǎn)［7-8］.在開普勒空間望遠(yuǎn)鏡（Kepler Space Telescope,KST）、凌星系外行星巡天望遠(yuǎn)鏡（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）等凌星觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡的助力下，現(xiàn)今已有超過(guò)5300顆系外行星被認(rèn)證［9］.系外行星大氣探測(cè)是未來(lái)行星宜居性研究的關(guān)鍵，也是未來(lái)行星科學(xué)研究的高地.搜尋行星大氣中的生命特征信號(hào)并將其作為行星宜居性的間接證據(jù)，這包括對(duì)一系列有機(jī)分子的探測(cè).

系外行星大氣探測(cè)要求的光譜精度極高，必須借助大型望遠(yuǎn)鏡，國(guó)內(nèi)院校的傳統(tǒng)教學(xué)和學(xué)校天文臺(tái)的現(xiàn)有條件難以提供相應(yīng)的實(shí)際操作平臺(tái).目前探測(cè)行星大氣的空間望遠(yuǎn)鏡主要是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、已退役的斯皮策望遠(yuǎn)鏡以及前不久發(fā)射的詹姆斯韋布望遠(yuǎn)鏡［10］，它們的觀測(cè)時(shí)間非常寶貴，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很少使用.地面有能力觀測(cè)的大型望遠(yuǎn)鏡，比如凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck Telescope）等，觀測(cè)時(shí)間不易獲取.同時(shí)，地面觀測(cè)受天氣、臺(tái)址等因素限制，難以直接在大型望遠(yuǎn)鏡上開展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此學(xué)生很難有系外行星觀測(cè)的實(shí)踐經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn).為了克服這些難題，本研究以虛擬仿真技術(shù)為載體，突破大望遠(yuǎn)鏡硬件的限制，突破時(shí)間和地域的限制，建設(shè)系外行星大氣光譜探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，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)［11-12］，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).該系統(tǒng)幫助學(xué)生理解和掌握系外行星大氣光譜的產(chǎn)生機(jī)制和探測(cè)原理以及根據(jù)目標(biāo)、時(shí)間、地點(diǎn)、望遠(yuǎn)鏡等因素設(shè)計(jì)行星大氣光譜觀測(cè)方案，并進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理和分析，培養(yǎng)觀測(cè)實(shí)踐能力［13］.

基于上述原因，同時(shí)，受NASA（National Aeronautics and Space Administration）開發(fā)的EYES［14］虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的啟發(fā)，我們決定建設(shè)一個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)，用以模擬系外行星大氣光譜觀測(cè)流程.

1 虛擬仿真系統(tǒng)

系外行星大氣光譜探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于瀏覽器-服務(wù)器（B-S）結(jié)構(gòu)，由Web 客戶端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)模塊組成，可在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái).

系外行星大氣光譜探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊如圖1 所示.系統(tǒng)包含了四個(gè)模塊：實(shí)驗(yàn)認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)驗(yàn)延展.

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)模塊Fig.1 Virtual simulation system module

實(shí)驗(yàn)認(rèn)知模塊包括實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的總體學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握系外行星大氣光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)重點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí).

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊是該系統(tǒng)的核心部分，包括綜合實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)，由行星大氣光譜、行星透射光譜觀測(cè)和光譜分析三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成.行星大氣光譜包含行星光譜的產(chǎn)生機(jī)制和探測(cè)原理.行星透射光譜觀測(cè)需要設(shè)計(jì)觀測(cè)方案，仿真模擬真實(shí)的目標(biāo)、時(shí)間、地點(diǎn)、望遠(yuǎn)鏡、曝光參數(shù)等，最后獲取光譜數(shù)據(jù).光譜分析要求掌握天文觀測(cè)中的誤差來(lái)源，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論模擬信號(hào)，計(jì)算特定吸收波段的信噪比，約束行星大氣中可能的化學(xué)組分.

實(shí)驗(yàn)分析模塊通過(guò)對(duì)參與者的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，了解其學(xué)習(xí)情況和整體知識(shí)掌握情況，做出成績(jī)?cè)u(píng)定、學(xué)情分析和教學(xué)成果評(píng)定.

實(shí)驗(yàn)延展模塊包括知識(shí)庫(kù)模塊和在線討論模塊.在該模塊可上傳視頻和其他文檔資料，支持系統(tǒng)化課程體系學(xué)習(xí).教師可發(fā)布實(shí)驗(yàn)資源，建設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，設(shè)置課程共享信息，查看和發(fā)布課程的學(xué)習(xí)情況.學(xué)生可報(bào)名參與課程，觀看該課程的視頻操作和課程的實(shí)驗(yàn)資源，查看個(gè)人的學(xué)習(xí)情況，評(píng)價(jià)課程，參與課程討論和實(shí)驗(yàn)報(bào)告互評(píng)等.

2 實(shí)驗(yàn)原理

本文介紹的系外行星大氣光譜探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)從現(xiàn)實(shí)的觀測(cè)出發(fā)，為用戶建立了一個(gè)模擬真實(shí)的操作平臺(tái)，用戶在學(xué)習(xí)使用時(shí)需要一定的天文基礎(chǔ)知識(shí)和數(shù)據(jù)處理能力，本章節(jié)將介紹用戶理解實(shí)驗(yàn)流程中關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)原理.

2.1 行星大氣光譜行星大氣的光譜探測(cè)可以分為透射譜、反射譜和熱發(fā)射譜.透射譜指的是當(dāng)行星凌星時(shí)，一部分恒星的光會(huì)穿過(guò)行星的大氣，大氣中的各種粒子在不同的波段上有不同的吸收和散射能力，因而得到的透射光譜中會(huì)包含吸收特征的吸收線和散射導(dǎo)致的連續(xù)譜特征.雖然光譜中還會(huì)包含碰撞誘導(dǎo)吸收和氫負(fù)離子吸收等信息，考慮到在線計(jì)算效率和教學(xué)重點(diǎn)，我們沒(méi)有加入其他的效應(yīng)，僅保留主要的分子、原子吸收線和散射特征.反射譜信號(hào)源于主星的光被行星反射時(shí)反照率的波長(zhǎng)與行星相位依賴性，優(yōu)勢(shì)觀測(cè)波段在光學(xué)波段.熱發(fā)射譜的信號(hào)源于行星自身的熱輻射穿透其大氣的輻射轉(zhuǎn)移過(guò)程，因?yàn)樾行菧囟蕊@著低于主星溫度，熱發(fā)射譜的優(yōu)勢(shì)觀測(cè)波段在紅外波段.

2.1.1 透射譜結(jié)合物理模型來(lái)分析觀測(cè)得到的行星透射光譜，不僅可以知曉大氣的組成成分，還可以窺探行星的大氣結(jié)構(gòu).采用一維大氣模型，如圖2 所示，由于透射譜反映的是行星晨昏線區(qū)域的大氣性質(zhì)，假設(shè)該區(qū)域大氣中任一點(diǎn)的各項(xiàng)物理性質(zhì)只與該點(diǎn)到輻射剛好不能穿透大氣時(shí)的行星不透明面的高度z有關(guān)，凌星時(shí)，恒星輻射會(huì)穿過(guò)行星不同高度的大氣，在高度z處的輻射穿過(guò)的大氣的光學(xué)深度τ(z，ν)由該輻射路徑每一點(diǎn)大氣物理性質(zhì)累積決定［15］：

圖2 行星一維大氣模型在透射光譜視角下的示意圖Fig.2 Schematic diagram of one-dimensional planetary atmosphere model in perspective of transmission spectrum

其中，Rp是行星不透明面所限定的行星半徑，h0是大氣上界面高度.吸收截面σi(P(h)，T(h)，ν)和數(shù)密度ni(P(h)，T(h))與積分點(diǎn)高度h處的壓強(qiáng)、溫度以及輻射的頻率有關(guān).那么，可以給出高度z處直接透過(guò)行星大氣的光譜I(ν)［16］：

2.1.2 反射譜反射譜測(cè)量通?；诶硐肼瓷浼僭O(shè)（Lambert Scattering），通過(guò)測(cè)量行星/恒星流量比，得到行星幾何反照率與相位函數(shù)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，進(jìn)而約束行星表面或大氣的性質(zhì)［17］.這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與行星大氣不同高度的吸收系數(shù)和發(fā)射系數(shù)有關(guān)系，需要考慮到輻射轉(zhuǎn)移方程.

為了便于理解反射譜的產(chǎn)生原理，采用近似計(jì)算，不考慮大氣吸收，行星反射光譜的流量為［18］：

其中，F(xiàn)s(ν)是恒星光譜流量，φα是相位因子，AB(ν)是平均反照率，a是恒星與行星的距離.

2.1.3 熱發(fā)射光譜行星會(huì)吸收恒星的一部分輻射，變成自己的能量，同時(shí)部分行星內(nèi)部也存在熱源，產(chǎn)生能量.這些能量會(huì)加熱行星，使行星有熱輻射，產(chǎn)生熱發(fā)射光譜.

行星的熱發(fā)射光譜的形狀主要取決于行星的黑體輻射譜.行星的有效溫度是計(jì)算行星的熱發(fā)射光譜的關(guān)鍵.對(duì)于地球-太陽(yáng)而言，地球的平衡溫度是253 K，由于地球大氣的溫室效應(yīng)，實(shí)際地球的表面平均溫度大約為280 K.

2.2 行星大氣吸收深度的計(jì)算通過(guò)行星和恒星的參數(shù)，計(jì)算行星大氣的吸收信號(hào).行星凌星時(shí)，觀測(cè)者接收到的恒星流量會(huì)有變化，理想條件下，行星凌星深度為［16］：

設(shè)D=，行星大氣吸收深度為：

其中，f(ν)=Fatm/Fst，F(xiàn)in和Fout是恒星在行星凌星期間和非凌星期間的流量.Rst是恒星半徑，F(xiàn)st是恒星本身流量，可以從給出的恒星光譜得到.Rpl，atm是行星半徑Rpl加上納入計(jì)算的大氣厚度，是依賴觀測(cè)波段的，在寬波段測(cè)光或者低分辨率光譜的前提下，可近似表達(dá)為：

其中，n通常取1～10 的常數(shù)，由大氣整體的不透明度（和大氣成分、大氣密度有關(guān)）決定；H=是大氣標(biāo)高，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為行星平衡溫度，μ為大氣平均分子量，g為行星表面重力加速度.Fatm是經(jīng)過(guò)行星大氣輻射轉(zhuǎn)移的恒星流量：

行星大氣吸收深度簡(jiǎn)化為：

2.3 觀測(cè)窗口的計(jì)算

2.3.1 凌星窗口的計(jì)算實(shí)際應(yīng)用中會(huì)依據(jù)感興趣的科學(xué)問(wèn)題與科學(xué)目標(biāo)確定使用的望遠(yuǎn)鏡和設(shè)備.用該望遠(yuǎn)鏡和設(shè)備對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的系外行星或者其候選體進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)時(shí)，由于地面光學(xué)波段的觀測(cè)受天氣等諸多因素的影響，必須提前計(jì)算好目標(biāo)行星對(duì)于該望遠(yuǎn)鏡的可觀測(cè)凌星窗口.

目前用凌星法發(fā)現(xiàn)的主要是短周期的系外行星.行星軌道的變化時(shí)標(biāo)一般大于行星的軌道周期.因此用凌星法探測(cè)系外行星，可以用已獲得的若干次凌星事件計(jì)算出行星的軌道周期P和某一次凌星的中點(diǎn)時(shí)刻M0，通過(guò)簡(jiǎn)單的線性疊加計(jì)算Mn=M0+nP，得到之后每一次凌星的中點(diǎn)時(shí)刻Mn，以該時(shí)刻往前和往后合適的時(shí)間區(qū)間為凌星將會(huì)發(fā)生的時(shí)間段，然后根據(jù)具體目標(biāo)行星確定凌星時(shí)段.當(dāng)系外行星不具有顯著的凌星時(shí)刻變化（Transit Time Variation）時(shí)，可基于已發(fā)布的凌星歷元數(shù)據(jù)，用簡(jiǎn)單的線性延拓預(yù)估目標(biāo)行星大致的凌星窗口.

2.3.2 觀測(cè)窗口的判斷標(biāo)準(zhǔn)推算出行星發(fā)生凌星的時(shí)間只是進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)的第一步，要在凌星發(fā)生時(shí)觀測(cè)目標(biāo)，還需知道在哪個(gè)臺(tái)站適合觀測(cè).觀測(cè)臺(tái)站的位置取決于太陽(yáng)的位置或者說(shuō)是否是夜晚，以及觀測(cè)目標(biāo)是否適合觀測(cè)的范圍這兩個(gè)因素.

一次成功的凌星觀測(cè)需要在觀測(cè)夜晚完整地覆蓋一次凌星事件.對(duì)于天文觀測(cè)，夜晚始于太陽(yáng)高度小于-18°.要知道某個(gè)臺(tái)站是否處于夜晚，需要計(jì)算出當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角.計(jì)算地球上任意點(diǎn)任意時(shí)刻的太陽(yáng)高度，可以自行根據(jù)球面天文公式將該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的世界時(shí)（UT）的太陽(yáng)赤經(jīng)赤緯進(jìn)行從赤道坐標(biāo)到地平坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換得到.

2.4 信噪比的計(jì)算和提高方法在探測(cè)系外行星大氣的透射譜時(shí)，信號(hào)是系外行星大氣在特定波長(zhǎng)吸收部分的光子數(shù)，噪聲是總光譜的噪聲，近似于恒星在特定波長(zhǎng)的光子噪聲，透射譜線的信噪比為［19］：

其中，SNRs(ν)為在ν處的恒星信噪比.譜線的高信噪比可以使探測(cè)到的行星大氣吸收信號(hào)更具說(shuō)服力.高信噪比的觀測(cè)數(shù)據(jù)也可以用于佐證大氣模型，讓我們更加了解系外行星的大氣特性.

在提升信噪比上，無(wú)法對(duì)目標(biāo)行星的物理性質(zhì)做出改變，只能改變望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)參數(shù).選定望遠(yuǎn)鏡后，譜線信噪比主要與地球大氣吸收率、積分時(shí)間和光譜分辨率有關(guān).空間觀測(cè)會(huì)大大改變大氣吸收率，讓吸收率接近于零，從而提高信噪比.對(duì)于大部分情況，增加積分時(shí)間也可以提升信噪比：選擇低分辨率也能提升信噪比.在合適范圍內(nèi)，降低分辨率，合并光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)，在一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上有更高的光子流，從而提高信噪比.如果分辨率過(guò)低，會(huì)損失光譜特征.

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與環(huán)節(jié)系外行星大氣光譜探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及的知識(shí)點(diǎn)包括了恒星光譜和行星光譜的特征、行星凌星與行星大氣透射光譜、大氣透射光譜信號(hào)強(qiáng)度影響因素及其規(guī)律、基于觀測(cè)臺(tái)站篩選適宜行星凌星的凌星窗口、望遠(yuǎn)鏡相關(guān)參數(shù)評(píng)估、地球大氣對(duì)地面光譜觀測(cè)的影響、行星大氣透射光譜觀測(cè)策略及調(diào)整、天文觀測(cè)中常見噪聲來(lái)源、行星大氣透射光譜數(shù)據(jù)處理、透射光譜信噪比提升方式.豐富的知識(shí)點(diǎn)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，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)課程進(jìn)行更直觀、更形象的教學(xué)嘗試.

為了便于開展課程實(shí)驗(yàn)，本虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)：行星光譜觀察、行星大氣透射光譜觀測(cè)和光譜數(shù)據(jù)分析，如圖3 所示.通過(guò)三個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，融合了理論、觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析.首先理解光譜探測(cè)中的行星大氣透射光譜和反射光譜的原理.然后學(xué)會(huì)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，根據(jù)科學(xué)目的選擇合適的望遠(yuǎn)鏡，設(shè)計(jì)觀測(cè)方案.通過(guò)模擬光譜觀測(cè)，了解光譜數(shù)據(jù).最后根據(jù)模擬觀測(cè)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)，根據(jù)貝葉斯推斷方法，當(dāng)信噪比達(dá)到一定值時(shí)，可以認(rèn)為行星大氣中有某種成分的可能性很大.

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.3 Flowchart of the virtual simulation experiment

3.2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

3.2.1 行星凌星時(shí)恒星光變曲線生成本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系外行星在凌星時(shí)恒星的光變曲線的虛擬仿真，如圖4 所示，上面是行星繞恒星運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫，下面是恒星主掩和次掩時(shí)的光變曲線.本系統(tǒng)虛擬仿真了一條完整的曲線，反映了在有行星存在的情況下，恒星光度的變化；動(dòng)態(tài)地展示了系外行星繞恒星的運(yùn)轉(zhuǎn)和系外行星相位變化時(shí)恒星光度的變化，可以直觀地看到行星凌星、行星掩星等過(guò)程.

圖4 凌星光變曲線Fig.4 Transit light curve

系外行星凌星時(shí)恒星的光變曲線受到系外行星的軌道周期、行星半徑、行星表面反照率參數(shù)的影響.通過(guò)移動(dòng)參數(shù)滑動(dòng)按鈕，可以快速地調(diào)整參數(shù)數(shù)值，數(shù)值同時(shí)在屏幕上顯示出來(lái)，使實(shí)驗(yàn)操作快捷方便.調(diào)整系外行星的軌道周期、行星半徑、行星表面反照率參數(shù)，可觀察到恒星光變曲線的變化情況.行星周期變短，行星軌道半徑變小，在一定的時(shí)間內(nèi)，看到的凌星次數(shù)越多.行星半徑越大，凌星和掩星時(shí)光變曲線下降的幅度越大，凌星會(huì)更明顯.行星反照率增大，掩星時(shí)光變曲線下降越大.仿真時(shí)忽略恒星活動(dòng)引起的光變，改變參數(shù)時(shí)按照仿真公式實(shí)時(shí)計(jì)算光變曲線值.

3.2.2 行星光譜與軌道相位關(guān)系本系統(tǒng)在進(jìn)行仿真時(shí)，首先選擇觀測(cè)的行星，判斷行星的類型，如類地、類木等，然后根據(jù)類型采用對(duì)應(yīng)的行星大氣模板.不同的模板，對(duì)應(yīng)不同的大氣組分參數(shù).根據(jù)模板計(jì)算行星的光譜.

圖5 展示了行星在不同軌道相位時(shí)光譜的變化.行星光譜以行星的反射光譜和熱輻射光譜為主.選擇假定的模型，如地球-太陽(yáng)系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)虛擬仿真出行星的光譜隨相位變化，變化遵循相位函數(shù)，但本系統(tǒng)沒(méi)有考慮行星參數(shù)改變.從仿真操作可以看出行星反射光譜形狀與恒星光譜形狀類似，其大小與行星的軌道相位有關(guān)，在行星掩星附近時(shí)反射光譜最強(qiáng)，在凌星附近時(shí)反射光譜最弱.

圖5 不同軌道相位下，行星的熱輻射、反射光譜和總光譜Fig.5 Different orbital phases of a planet result in variations in its thermal radiation,reflecting spectrum,and total spectrum

3.2.3 行星大氣吸收實(shí)現(xiàn)圖6 是行星凌星時(shí)，虛擬仿真實(shí)現(xiàn)的行星大氣吸收.行星大氣粒子吸收在仿真系統(tǒng)中以動(dòng)態(tài)圖呈現(xiàn).由于行星大氣分子的吸收帶大部分是在紅外波段，從仿真的行星大氣粒子吸收動(dòng)態(tài)圖中可明顯看出行星大氣對(duì)紅外波段光子的吸收能力更強(qiáng).

圖6 行星大氣吸收Fig.6 Planetary atmospheric absorption

仿真系統(tǒng)也呈現(xiàn)了行星透射光譜.行星大氣中的水、二氧化碳等組分會(huì)在透射光譜中呈現(xiàn)吸收特征.調(diào)節(jié)行星平衡溫度、表面重力加速度和大氣平均分子量，可以調(diào)節(jié)行星大氣標(biāo)高的大小，如圖7 所示.為了普及天文知識(shí)，讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)大氣標(biāo)高對(duì)行星透射光譜的影響，在虛擬仿真的時(shí)候，根據(jù)公式（6），大氣模型高度與大氣標(biāo)高呈線性關(guān)系，調(diào)節(jié)行星大氣標(biāo)高大小，行星大氣厚度相應(yīng)變化，行星透射光譜曲線也隨之變化.

圖7 大氣標(biāo)高的計(jì)算界面Fig.7 Calculation of atmospheric scale height

3.2.4 模擬觀測(cè)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了10 個(gè)可供選擇的行星系統(tǒng)，這些行星系統(tǒng)均為已有光譜觀測(cè)的真實(shí)系統(tǒng)，涵蓋不同類型的典型行星，如WASP-17 b（熱木星）、GJ 1214 b（超級(jí)地球）、55 Cnc e（超級(jí)地球），行星參數(shù)和目標(biāo)的特征（恒星光譜、亮度、位置等）源于天文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).行星大氣透射光譜采用公認(rèn)的Exo-Transmit 模擬.根據(jù)參數(shù)計(jì)算該行星的大氣標(biāo)高和大氣吸收信號(hào)強(qiáng)度.該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了10 個(gè)臺(tái)站選擇.

根據(jù)選定的行星系統(tǒng)，選擇合適的觀測(cè)臺(tái)站，再選擇凌星窗口（圖8）.并非每一個(gè)凌星窗口都可以進(jìn)行觀測(cè)，高度角太低，會(huì)提示無(wú)法觀測(cè)，需要重新計(jì)算選擇凌星窗口.

圖8 凌星窗口Fig.8 Transit window

選擇合適的凌星窗口后，開始用望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)目標(biāo).設(shè)置望遠(yuǎn)鏡的參數(shù)，如望遠(yuǎn)鏡口徑、光譜分辨率、通光效率，仿真系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出恒星光譜（圖9）.本系統(tǒng)虛擬仿真了大氣外空間觀測(cè)得到的有行星凌星時(shí)的恒星光譜和地面觀測(cè)得到的凌星時(shí)的恒星光譜，得到不同的光譜圖（圖10）.在地面觀測(cè)時(shí)，由于地球大氣的影響，光譜包括地球大氣的吸收特征.

圖9 選取對(duì)應(yīng)分辨率和望遠(yuǎn)鏡參數(shù)后，仿真望遠(yuǎn)鏡接收到的恒星光譜流量Fig.9 The simulated stellar spectrum，after selecting the corresponding resolution and telescope parameters

圖10 仿真得到的恒星觀測(cè)光譜：(a)在空間進(jìn)行觀測(cè)；(b)在地面進(jìn)行觀測(cè)Fig.10 Simulated planetary specta：(a) observed in the space,(b) observed on the earth

做好前期準(zhǔn)備，進(jìn)入正式觀測(cè)（圖11）.虛擬仿真窗口會(huì)顯示一些基本的參數(shù).值得注意的是實(shí)際凌星觀測(cè)采用連續(xù)曝光.但在本虛擬仿真系統(tǒng)中，需要學(xué)生根據(jù)信噪比和凌星窗口選擇合適的曝光時(shí)刻和曝光時(shí)長(zhǎng).虛擬仿真實(shí)驗(yàn)選取五次曝光，讓學(xué)生自主設(shè)置，以便系統(tǒng)合理評(píng)分考核.為了較差測(cè)量，學(xué)生選擇的五次曝光必須包含凌星前、后的時(shí)刻，以及凌星中的時(shí)刻.拍攝凌星光譜時(shí)，曝光時(shí)間可以通過(guò)計(jì)算得出，也可以在五次曝光的嘗試觀測(cè)中得到，例如光譜圖上的最大光子數(shù)超過(guò)滿阱，就需要調(diào)整曝光時(shí)間，調(diào)至光子數(shù)為滿阱數(shù)的約80%.觀測(cè)完成后保存結(jié)果.

圖11 正式觀測(cè)時(shí)，學(xué)生選擇五次曝光的時(shí)間和曝光時(shí)長(zhǎng)Fig.11 During the formal observation,students perform five exposure processes

3.2.5 光譜數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)行星大氣吸收信號(hào)相對(duì)于恒星信號(hào)較弱.為了獲取高信噪比，需要延長(zhǎng)曝光時(shí)間，但是由于探測(cè)器具有滿阱數(shù)，單次曝光時(shí)間有限（不能過(guò)曝），需要將多次的觀測(cè)結(jié)果疊加.如圖12 所示，虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以行星的總凌星時(shí)長(zhǎng)作為參考，讓學(xué)生設(shè)置光譜疊加所對(duì)應(yīng)的總曝光時(shí)長(zhǎng)，從而得到疊加后的光譜.

圖12 在行星凌星時(shí)間內(nèi)所有的連續(xù)曝光圖片疊加，獲得疊加后的光譜圖（a）和光譜數(shù)據(jù)（b）Fig.12 (a) The spectrum after integrating all continuous exposures during planetary transit;(b) stellar spectrum (upper left),stellar spectrum noise (upper right),planetary atmospheric absorption signal(lower left),and planetary spectral SNR (lower right)

從最終觀測(cè)數(shù)據(jù)中，得到了恒星光譜、恒星光譜噪聲以及行星大氣吸收數(shù)據(jù).從行星光譜信噪比圖中，選取關(guān)注的譜線，如水、二氧化碳，根據(jù)恒星光子數(shù)和行星大氣吸收光子數(shù)得到此波段的信噪比.然后通過(guò)在空間觀測(cè)、增加觀測(cè)次數(shù)、降低光譜分辨率三種方法中選擇不同的組合，提高信噪比曲線，如圖13 所示.根據(jù)信噪比結(jié)果，按照貝葉斯推斷方法，估算行星大氣中存在這個(gè)物質(zhì)成分的可能性.

圖13 信噪比提升Fig.13 Signal-to-noise ratio enhancement

4 其他模塊簡(jiǎn)介

4.1 教學(xué)評(píng)價(jià)體系本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于學(xué)生的考核主要分為兩大類：知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)類與知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用類.

在知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)方面，該系統(tǒng)將學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的瀏覽也納入相關(guān)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).學(xué)生將通過(guò)該系統(tǒng)提供的學(xué)習(xí)資料、實(shí)驗(yàn)示范和理論講解，深入學(xué)習(xí)系外行星大氣光譜觀測(cè)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握關(guān)于行星系統(tǒng)、光譜分析原理、光譜圖解讀等知識(shí).這部分考核內(nèi)容旨在評(píng)估學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)概念的理解和掌握程度，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)背后科學(xué)原理的理解能力.

在知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用方面，學(xué)生需要靈活運(yùn)用系統(tǒng)提供的學(xué)習(xí)資料與自身所學(xué)，完成系統(tǒng)中設(shè)置的考題，例如對(duì)大氣標(biāo)高計(jì)算、觀測(cè)目標(biāo)選擇與觀測(cè)窗口選擇、實(shí)際觀測(cè)曝光時(shí)間設(shè)定、行星光譜信噪比估計(jì)等.考核內(nèi)容旨在評(píng)估學(xué)生的實(shí)際操作能力、數(shù)據(jù)處理和分析能力，以及對(duì)光譜觀測(cè)結(jié)果的解釋和推理能力.

通過(guò)考核，將在知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)層面上進(jìn)行綜合評(píng)估.學(xué)習(xí)類考核驗(yàn)證對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度，應(yīng)用類考核展現(xiàn)對(duì)知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用能力.這樣的設(shè)計(jì)有助于學(xué)生全面發(fā)展，并將所學(xué)的知識(shí)與技能應(yīng)用于實(shí)際情境中，提升他們的科學(xué)思維和問(wèn)題解決能力.

4.2 課后延展學(xué)習(xí)

4.2.1 課后討論模塊該系統(tǒng)在網(wǎng)頁(yè)上提供了學(xué)生自主討論的論壇.學(xué)生可以在論壇上提出問(wèn)題、分享觀察和數(shù)據(jù)分析方法，并從其他的回答和見解中獲得更多的洞察力.論壇的存在還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，鼓勵(lì)他們提出新的想法和假設(shè)，并與其他同學(xué)進(jìn)行深入地討論和探索，進(jìn)而拓寬視野、提高解決問(wèn)題的能力，在一個(gè)開放的環(huán)境中共同進(jìn)步.

4.2.2 學(xué)情分析系統(tǒng)本虛擬仿真系統(tǒng)搭載了學(xué)情分析系統(tǒng).學(xué)情分析系統(tǒng)記錄學(xué)生的訪問(wèn)和學(xué)習(xí)情況，統(tǒng)計(jì)學(xué)生的通過(guò)率和分?jǐn)?shù)，提供對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的全面分析和評(píng)估.通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)成績(jī)，可以評(píng)估學(xué)生對(duì)于系外行星大氣探測(cè)的理解程度和應(yīng)用能力.這些數(shù)據(jù)有助于教師評(píng)估教學(xué)效果，了解學(xué)生在不同方面的表現(xiàn)，并根據(jù)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體流程或考核內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果.

4.2.3 科學(xué)研究最新進(jìn)展模塊這個(gè)模塊提供了關(guān)于系外行星研究領(lǐng)域的最新熱點(diǎn)資訊和科學(xué)前沿，不定期更新與系外行星大氣相關(guān)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、重要論文、新的研究方法以及領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵突破.通過(guò)這些更新，學(xué)生可以了解當(dāng)前該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，緊跟科學(xué)前沿.

5 結(jié)論

為了更好地對(duì)系外行星大氣光譜探測(cè)內(nèi)容開展教學(xué)，我們基于虛擬仿真技術(shù)與天文觀測(cè)知識(shí)，構(gòu)建了系外行星大氣光譜探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).該虛擬仿真系統(tǒng)以行星大氣透射光譜原理、設(shè)計(jì)觀測(cè)方案、獲取光譜數(shù)據(jù)并分析處理確定大氣成分三個(gè)虛擬仿真模塊為核心，立足光譜觀測(cè)的基本原理，運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，把虛擬仿真系統(tǒng)和天文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了系外行星大氣光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn)的可視化，并可自主選取行星系統(tǒng)進(jìn)行研究，自主設(shè)計(jì)觀測(cè)方案，評(píng)估可行性，還可根據(jù)結(jié)果不斷調(diào)整優(yōu)化觀測(cè)方案，突破了現(xiàn)實(shí)教學(xué)中設(shè)備以及時(shí)空的限制，做到了低成本高效率地完成專業(yè)課程講授和實(shí)踐，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)天文觀測(cè)課程的認(rèn)知，提升了學(xué)生進(jìn)行觀測(cè)的能力和創(chuàng)新能力，取得了較為滿意的效果.

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有貼近現(xiàn)實(shí)的動(dòng)畫模型，有基于真實(shí)行星數(shù)據(jù)的仿真，有符合天文觀測(cè)的真實(shí)環(huán)境和儀器設(shè)置.該虛擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、效果直觀、感知性強(qiáng)，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有很大的幫助，已被評(píng)為國(guó)家一流仿真課程.該虛擬仿真系統(tǒng)已通過(guò)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)“i Lab-x 實(shí)驗(yàn)空間”對(duì)外免費(fèi)開放［20］.

該系外行星大氣光譜探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)合了我國(guó)大型天文望遠(yuǎn)鏡較為匱乏的特點(diǎn)，希望通過(guò)虛擬仿真的觀測(cè)訓(xùn)練，為我國(guó)培養(yǎng)更多的天文觀測(cè)人才，為今后國(guó)內(nèi)天文觀測(cè)的發(fā)展儲(chǔ)備力量，為未來(lái)我國(guó)大型項(xiàng)目培養(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［21］.

致 謝感謝祝展翼博士對(duì)論文修改的指導(dǎo)和幫助！