Астронет > Мазерный эффект (в космосе)

Астронет: Д. А. Варшалович, "Физика Космоса", 1986 Мазерный эффект (в космосе)
http://variable-stars.ru/db/msg/1189294

Мазерный эффект (в космосе)

- усиление интенсивности проходящего через космич. среду радиоизлучения за счёт индуцированного испускания резонансных фотонов возбуждёнными молекулами среды. Для М. э. необходимо, чтобы число молекул среды, находящихся на верхнем резонансном уровне энергии, превосходило число молекул, находящихся на нижнем уровне. Только при такой, инверсной, населённости уровней индуцированное испускание фотонов будет преобладать над их поглощением и проходящее сквозь среду излучение будет не ослабляться, а усиливаться. Однако инверсия населённости невозможна при равновесном Больцмана распределении. Поэтому нужна непрерывная энергетич. накачка молекул, переводящая их с нижнего на верхний уровень. В отличие от спонтанного (самопроизвольного) излучения, индуцированное (стимулированное) излучение молекул характеризуется тем же направлением распространения, той же частотой и поляризацией, что и исходное, индуцирующее излучение. Этим обусловлены характерные особенности мазерного излучения. Источники мазерного излучения - мазеры - своё наименование получили по начальным буквам их англ. названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление микроволн (излучение сверхвысокой частоты) за счёт индуцированного излучения.

Рис. 1. Уровни энергии гидроксила ОН,
переходы между которыми порождают
радиоизлучение на частотах $\nu$ , равных
1665, 1667 МГц (главные линии) и 1612,
1720 МГц (линии-сателлиты).

Космич. мазеры были открыты в 1965 г. (X. Уивер и др., США). Учёные обнаружили в спектрах радиоизлучения нек-рых источников (туманность Ориона, Стрелец В2, W3, W49 и др.) очень интенсивные узкие линии излучения с $\lambda$ = 18 см. Первоначально полагали, что эти линии порождены каким-то неизвестным, но широко распространённым в космосе веществом, к-рое назвали "мистериумом", но дальнейшие исследования показали, что линии принадлежат межзвёздному гидроксилу ОН (см. Молекулы в межзвездной среде), а их аномальные св-ва (чрезвычайная узость и высокая интенсивность) обусловлены мазерным механизмом излучения. В 1969 г. были открыты ещё более мощные источники космич. мазерного излучения с $\lambda$ = 1,35 см, работающие на молекулах водяного пара Н₂О. В 1974-75 гг. были обнаружены мазерные источники, работающие на молекулах оксида кремния SiO и метилового спирта CH₃OH. Наблюдаемые линии молекулярных космич. мазеров (табл.) соответствуют в случае гидроксила ОН переходам между уровнями $\Lambda$ -дублетов основного и нижних вращательных уровней молекул (рис. 1), а в др. случаях - переходам между вращательными уровнями осн. колебательного состояния молекул Н₂О и СН₃ОН или возбужденного колебательного состояния молекул SiO (см. рис. в ст. Уровни энергии).

Характеристики наблюдаемых
космических мазеров

$\lambda$ , см $\nu$ , МГц

H₂O

1,348 22235,080

OH

18,595 1612,231

18,001 1665,402

17,980 1667,359

17,424 1720,530

4,971 6030,747

4,967 6035,092

6,433 4660,242

6,291 4765,562

2,230 13441,371

$\lambda$ , см $\nu$ , МГц

SiO

0, 43122,03

0, 42820,48

0, 86243,27

0, 129363,12

СН₃ОН

1,202 24933,468

1,201 24959,080

1,198 25018,123

1,193 25124,873

1,185 25294,411

Интенсивность излучения космич. мазеров соответствует аномально высокой яркостной температуре, до 10¹³-10¹⁵ К. Каждой линии в спектре ОН-ма-зера (рис. 2), имеющей частоту v, отвечает большое число очень узких ( $\Delta\nu/\nu=3\cdot 10^{-7}-5\cdot 10^{-6}$ ) эмиссионных компонентов, порождённых излучением отдельных субисточников ("пятен") малых размеров (~ 10¹¹-10¹⁵ см), расположенных в области радиусом 10¹⁶-10¹⁷ см и движущихся с различными скоростями (скорости отличаются на величину $\Delta v$ =5-300 км/с).

В нашей и в соседних галактиках обнаружено неск. сотен космич. мазеров. Их можно разделить на два осн. типа: 1) мазеры, ассоциирующиеся с молодыми (возраст $\le$ 10⁵ лет) горячими ОВ-звёздами (а возможно, и с протозвёздами), излучение к-рых осуществляет накачку; 2) мазеры, связанные с сильно проэволюционировавшими холодными звёздами большой светимости.

Рис. 2. Спектр излучения гидроксила ОН на
частоте 1665 МГц от галактического
радиоисточника W49 (зона НII). Различные пики
интенсивности излучения соответствуют
нескольким газово-пылевым конденсациям,
движущимся с различными скоростями и из-за
эффекта Доплера наблюдающихся на разных
частотах. Сплошная линия - излучение с
правой круговой поляризацией, штриховая -
с левой круговой поляризацией.

Мазеры 1-го типа находятся в областях звездообразования, на периферии плотных газово-пылевых комплексов, в непосредств. близости от ультракомпактных зон НII и источников ИК-излучения. Примеры: туманность Ориона, области W3, W49, W51. Мазеры, находящиеся в этих областях, обладают наибольшей мощностью излучения: в линиях H₂O - ~ 10²⁷-10³³ эрг/с, ОН (на частотах 1665 и 1667 МГц) ~ 10²⁷-10³⁰ эрг/с, Si0 ~ 10²⁹ эрг/с и СН₃ОН ~ 10²⁷ эрг/с. Излучение сильно поляризовано - линейно (Н₂О, ОН) и (или) циркулярно (ОН, SiO). Иногда наблюдаются вспышки отдельных компонентов. Космич. мазеры 2-го типа находятся в расширяющихся оболочках звёзд-сверхгигантов типа VY Большого Пса или переменных звёзд типа Миры Кита (красных гигантов), ИК-излучение к-рых и обеспечивает накачку. Эти мазеры более многочисленны, но их мощность меньше:. Н₂O ~ 10²⁴-10²⁸ эрг/с, ОН (1612МГц) ~ 10²⁴-10²⁸ эрг/с, SiO ~ 10²⁶-10²⁷ эрг/с, причём изменение мощности космич. мазеров коррелирует с изменением потока ИК-пзлучения.

Лит.:
Космические мазеры. Сб. ст., пер. с англ.,М., 1974; Стрельницкий В.С., Космические мазеры. УФН, 1974, т. 113, в. 3, с. 463; На переднем крае астрофизики, пер. с англ., М., 1979.

(Д.А. Варшалович)

Д. А. Варшалович, "Физика Космоса", 1986
Глоссарий Astronet.ru