Мазерный эффект в космосе. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Мазерный эффект в космосе - усиление проходящего через космич. среду радиоизлучения за счёт иидуциров. испускания фотонов возбуждёнными атомами и молекулами среды. Наблюдается M. э. только в отд. радиолиниях в межзвёздной среде и околозвёздных оболочках (космические, или межзвёздные, мазеры). Все космич. мазеры (KM) работают в непрерывном режиме.

Открыты KM в 1965 [X. Уивер (H. Weaver) и др.] при исследовании радиоизлучения нек-рых космич. источников (туманность Ориона, Стрелец В2, W3, W49 и др.). В спектрах этих источников на частотах 1665 и 1667 МГц были обнаружены очень узкие интенсивные линии излучения (длина волны l ж 18 см), принадлежащие молекулам гидроксила ОН. Обнаруженные линии обусловлены энергетич. переходами между компонентами L-дуплета осн. состояния молекулы ОН [см. Лямбда-удвоение (расщепление) уровней энергии молекул]. Позже сильный M. э, был обнаружен в др. радиолиниях ОН, в линии перехода между вращат. уровнями энергии осн. электронно-колебат. состояния молекул воды H₂O (22235 МГц, l = 1,35 см), в неск. радиолиниях молекул метилового спирта CH₃OH (l ~ 1,2 см) и при переходах между вращат. уровнями в возбуждённых колебат. состояниях молекул монооксида кремния SiO (2-7 мм). Всего в Галактике и соседних галактиках открыты многие сотни сильных KM. Слабый мазерный эффект наблюдается в радиолиниях нек-рых др. молекул, а также в дециметровом и более длинноволновых диапазонах на рекомбинационных радиолиниях водорода с гл. квантовым числом ок. n = 200.

Сильные KM связаны чаще всего с областями звездообразования (мазеры ОН 1-го типа и мазеры H₂O). Мощность излучения в радиолинии H₂O ~10^27-33 эрг/с, в линиях ОН ~ 10^27-30 эрг/с, SiO ~10²⁹эрг/с, CH₃OH ~ 10²⁷ эрг/с.

Источниками излучения являются отдельные пятна (конденсации) размером ~ 10¹⁴ см, которые собраны в "гнёзда" размером ~ 10^16-17 см. Число конденсаций в гнезде 10-100, число гнёзд в KM 1-10. По частоте излучения отд. конденсации можно определить её лучевую скорость с точностью 0,1-2 км/с. Разброс лучевых скоростей конденсаций составляет 100 - 300 км/с. Яркостная темп-pa излучения в линии достигает 10¹⁵ К для H₂O, 10¹² К для ОН. 10¹⁰ К для SiO. Наблюдения показали, что интенсивность, ширина, профиль спектральной линии конденсации, а также её лучевая скорость переменны в интервалах времени от неск. минут до

20 лет. Компоненты линий ОН, SiO обычно сильно (до 10(1%) цнркулярно поляризованы; умеренная линейная поляризация наблюдается в линиях H₂O и ОН.

Ещё более мощный M. э. (до 10³⁶ эрг/с) обнаружен от ядер нек-рых галактик (т. н. мегамазеры), но KM этого типа немногочисленны.

Более распространены слабые KM (KM ОН 2-го типа), находящиеся в растекающихся холодных оболочках переменных звёзд - сверхгигантов типа Миры Кита и VY Большого Пса. Мощность KM на молекулах H₂O и ОН (1612 МГц) составляет ~10^24-28 эрг/с, а на SiO ~10^26-27 эрг/с. Мощность KM в оболочках звёзд коррелирует с ИК-излученпем этих звёзд.

Редкими являются KM на молекулах ОН (1720 МГц), находящиеся в областях взаимодействия ударных волн остатков вспышек сверхновых звёзд с молекулярными облаками.

M. э. в рекомбинац. радиолиниях возникает на периферии областей ионизов. водорода.

В атмосферах Марса и, возможно, Венеры имеется слабая инверсия и усиление ИК-излучения в колебат. полосе CO₂, т. е. там, по-видимому, "работает" слабый естеств. лазер.

Существование M. э. в космосе свидетельствует о длит, поддержании в естеств. условиях сильно неравновесной заселённости энергетпч. уровней атомов н молекул. Это возможно лишь в условиях постоянно действующей накачки, энергии, поддерживающей инверсию населённостей сигнальных уровней (1,2 на рис.). Цикл накачки включает неск. последовательных переходов: собственно накачки (в простейшем случае переход между уровнями 1 и 3) и стока энергии (переход

между уровнями 2 и 3). Механизмы накачки и стока в KM обозначают символами: RR, RC, CR, CC (первый символ указывает характер накачки: R - радиационный, С - столкновительный, второй символ - вид стока энергии). Тип переходов, обусловливающих накачку, указывают в виде индекса справа внизу: г - вращательный, v - колебательный, е - электронный. В сильных мазерах ОН 1-го типа преобладает, видимо, RRr-накачка (рис.), в молекулах H₂O, вероятно, CR_r-или CCr-накачка.

Схема накачки космического мазера на молекулах ОН. a - принципиальная трёхуровневая схема: переход 1-3 - накачка, 2-3 - сток, 1-2 - мазерный переход, б - схема RR_г-накачки в сильных мазерах ОН. Показана цепочка ПК-переходов, которая приводит к инверсии населённостей L-дублета основного состояния ОН. ²П_3/2и ²П_1/2 - вращательные уровни, соответствующие двум возможным ориентациям проекции спина неспаренного электрона на ось молекулы (тонкое расщепление). Каждый вращательный уровень расщеплён на два: + и - (т. н. L-удвоение). Линии сверхтонкого расщепления обозначены буквой F. Прямые линии а, г - процесс ИК-накачки; двойными стрелками обозначены переходы, наблюдаемые в космических мазерах.

Необходимая для M. э. неравновесность заселённости уровней достигается за счёт мощного ИК-излучения рождающихся массивных звёзд (протозвёзд) в областях звездообразования при свободном выходе из среды фотонов стока (напр., в сильных мазерах ОН 1-го типа при RRr - накачке), за счёт различия температур электронов и молекул в ударных волнах, за счёт различия температуры газа и радиационной температуры, описывающей интенсивность поля излучения в среде, а также, возможно, по ряду др. причин.

Слабый M. э. весьма обычен в космосе и соответствует оптической толщине

в центре мазерной радиолинии ок. 1-3. Сильный M. э. наблюдается лишь на отд. переходах тех молекул, к-рые имеют подходящую для эфф. накачки систему уровней (см., напр., уровни ОН на рис.).

Литература по мазерному эффекту в космосе

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.