Мазеры космические

Мазеры космические - очень яркие космические радиоисточники, излучающие в радиолиниях ОН, Н₂О, SiO и некоторых других молекул (см. Электромагнитное излучение небесных тел). Первые космические мазеры на молекулах ОН были обнаружены в 1965 г.

"Мазер" - это сокращенное английское название явления, которое в переводе на русский звучит так: "усиление микроволнового излучения посредством вынужденного испускания фотонов". Суть этого явления заключается в следующем. Как известно, атомы и молекулы могут находиться лишь в определенных, дискретных энергетических состояниях - на определенных уровнях энергии. Молекула может перескочить из одного энергетического состояния в другое, и при каждом таком переходе она либо излучает квант электромагнитной энергии - фотон (при переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий), либо поглощает такой же фотон (при обратном переходе). При этом частота фотона прямо пропорциональна разности энергий верхнего и нижнего уровней. Перескочить с верхнего уровня на нижний молекула может двумя способами: либо самопроизвольно, либо вынужденно, под воздействием имеющихся вокруг нее фотонов, частота которых соответствует данному переходу. Фотон как бы встряхивает молекулу, заставляя ее "свалиться" на нижний уровень прежде, чем она сделает это сама. При этом испускается точно такой же фотон, какой вынудил молекулу совершить переход. Вынужденный переход тем более вероятен, чем больше плотность фотонов в пространстве. При этом вероятность совершить вынужденный переход вниз для молекулы, находящейся на верхнем уровне, в точности такая же, как для молекулы, находящейся на нижнем уровне, - совершить переход вверх.

Однако в обычных условиях молекулы распределены по энергетическим уровням неравномерно: на нижнем уровне любого перехода молекул всегда больше, чем на верхнем. Поэтому излучение, проходящее сквозь то или иное газовое облако, теряет в результате поглощения больше фотонов, чем производит новых в результате вынужденного испускания. Таким-образом интенсивность проходящего сквозь облако излучения ослабевает.

В 50-е гг. XX в. в лабораториях были созданы системы, в которых молекулы искусственно "накачиваются" на верхний уровень, так что их там становится больше, чем на нижнем уровне. Эта необычная ситуация получила название "инверсии населенностей" энергетических уровней. В соответствии с тем, что говорилось выше, при инверсии населенностей излучается больше фотонов, чем поглощается, вследствие чего излучение, проходящее через газ, не ослабевает, как в обычных условиях, а, напротив, усиливается. Так работает мазерный усилитель - устройство, широко используемое в науке и технике.

Мазерное излучение наблюдается и в космическом пространстве. Возникает оно в результате естественных процессов "накачки", которые действуют в атмосферах и оболочках некоторых звезд, в межзвездных газовых облаках, в атмосферах комет.

"Накачку" осуществляют либо воздействующее на молекулы излучение звезды (чаще всего - в инфракрасном диапазоне), либо сталкивающиеся с ними частицы окружающего газа, если этот газ достаточно горяч и плотен. При работе космического мазера энергия накачки преобразуется в энергию почти монохроматического радиоизлучения молекул. Наиболее мощные из космических мазеров излучают в узкой радиолинии такое же количество энергии, какое Солнце излучает во всем спектре электромагнитных волн!

Космические мазеры интересны не только сами по себе, как уникальное явление природы, но также и потому, что они дают нам важные сведения о тех астрофизических объектах, с которыми они связаны. Особенно ценную информацию приносит мазерное излучение из областей активного звездообразования. Радиоизлучение (в отличие от оптического) свободно проходит сквозь толщи космической пыли, в глубинах которой происходит рождение новых звезд. В областях звездообразования наблюдаются мощные компактные мазеры на молекулах Н₂О, имеющие размеры порядка 1-10 а. е., более протяженные, но менее мощные мазеры (на молекулах ОН и SiO) и еще более протяженные (до 1000 а. е.) слабые мазеры на молекулах метилового спирта СН₃ОН. По наблюдаемым характеристикам мазерных линий можно определять плотность и температуру излучающего газа, особенности его пространственных движений, напряженность пронизывающего газ магнитного поля. Опираясь на эти данные (а также на результаты наблюдений в инфракрасном диапазоне), астрофизики надеются разгадать древнюю тайну рождения звезд.