Астрофизический мазер — это естественный источник вынужденного излучения спектральных линий , обычно в микроволновой части электромагнитного спектра . Это излучение может возникнуть в молекулярных облаках , кометах , планетных атмосферах , звездных атмосферах или в различных других условиях межзвездного пространства .
Подобно лазеру , излучение мазера является стимулированным ( или затравленным ) и монохроматическим, имеющим частоту , соответствующую разнице энергий между двумя квантово-механическими уровнями энергии частиц в усиливающей среде, которые были накачаны в нетепловую популяцию . распределение . Однако встречающиеся в природе мазеры не имеют резонансной полости , созданной для земных лабораторных мазеров. Излучение астрофизического мазера происходит за один проход через усиливающую среду и поэтому обычно не имеет пространственной когерентности и чистоты мод , ожидаемых от лабораторного мазера.
Из-за различий между искусственными и природными мазерами часто утверждается [1] , что астрофизические мазеры не являются «настоящими» мазерами, поскольку у них отсутствуют полости колебаний. Однако различие между лазерами на основе генераторов и однопроходными лазерами намеренно игнорировалось лазерным сообществом в первые годы существования этой технологии. [2]
Это фундаментальное языковое несоответствие привело к использованию других парадоксальных определений в этой области. Например, если усиливающая среда смещенного лазера представляет собой излучающее, но неколеблющееся излучение, говорят, что он излучает усиленное спонтанное излучение или ASE . Этот ASE считается нежелательным или паразитным. Некоторые исследователи добавили бы к этому определению наличие недостаточной обратной связи или неудовлетворенного порога генерации : то есть пользователи хотят, чтобы система вела себя как лазер. Излучение астрофизических мазеров на самом деле представляет собой ASE, но иногда его называют сверхизлучением , чтобы отличить его от лабораторного явления. Это только усугубляет путаницу, поскольку оба источника являются сверхизлучающими. В некоторых лабораторных лазерах, таких как однократный проход через ступень Ti:Sapph с регенеративным усилением , физика напрямую аналогична усиленному лучу в астрофизическом мазере. [ нужна цитата ]
Более того, практические пределы использования m для обозначения микроволнового излучения в мазере применяются по-разному. Например, когда изначально разрабатывались лазеры в видимой части спектра, их называли оптическими мазерами. [3] Чарльз Таунс утверждал, что m означает «молекула» , поскольку энергетические состояния молекул обычно обеспечивают масинговый переход. [4] В этом духе некоторые [ кто? ] используют термин « лазер» для описания любой системы, использующей электронный переход, и термин «мазер» для описания системы, использующей вращательный или колебательный переход, независимо от выходной частоты. Некоторые астрофизики используют термин иразер для описания мазера, излучающего на длине волны в несколько микрометров , [5] хотя сообщество оптиков называет подобные источники лазерами .
Термин «тазер» использовался для описания лабораторных мазеров в терагерцовом режиме [6] , хотя астрономы могли бы называть эти субмиллиметровые мазеры , а лабораторные физики обычно называют их газовыми лазерами или, в частности, спиртовыми лазерами в отношении типа усиления. Сообщество электротехников обычно ограничивает использование слова «микроволна» частотами примерно от 1 до 300 ГГц ; то есть длины волн от 30 см до 1 мм соответственно. [ нужна цитата ]
Простого существования накачиваемой инверсной населенности недостаточно для наблюдения мазера. Например, должна быть когерентность скоростей вдоль луча зрения, чтобы доплеровский сдвиг не препятствовал излучательной связи инвертированных состояний в разных частях усиливающей среды. В то время как в лабораторных лазерах и мазерах поляризация может быть достигнута путем избирательной генерации желаемых мод, в естественных мазерах поляризация возникает только при наличии накачки, зависящей от состояния поляризации, или магнитного поля в усиливающей среде.
Излучение астрофизических мазеров может быть довольно слабым и не поддаваться обнаружению из-за ограниченной чувствительности и относительной удаленности астрономических обсерваторий, а также из-за иногда подавляющего спектрального поглощения ненакачанными молекулами видов мазеров в окружающем пространстве. Это последнее препятствие можно частично преодолеть за счет разумного использования пространственной фильтрации, присущей интерферометрическим методам, особенно интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). [ нужна цитата ]
Исследование мазеров дает ценную информацию об условиях — температуре, плотности, магнитном поле и скорости — в средах рождения и смерти звезд , а также в центрах галактик, содержащих черные дыры , [1] [2] , что приводит к уточнению существующих теоретических моделей. .
В 1965 году Уивер и др. сделали неожиданное открытие . : [3] эмиссионные линии в космосе неизвестного происхождения на частоте 1665 МГц. В то время многие исследователи все еще думали, что молекулы не могут существовать в космосе, хотя они были открыты МакКелларом в 1940-х годах, и поэтому излучение сначала приписывали гипотетической форме межзвездного вещества, названной «мистериум». вскоре было идентифицировано как линейное излучение молекул гидроксидов в компактных источниках внутри молекулярных облаков. [4] За этим последовали новые открытия: выбросы воды в 1969 году, [5] выбросы метанола в 1970 году, [6] и выбросы монооксида кремния в 1974 году, [7] все они исходили изнутри молекулярных облаков. Их назвали мазерами , поскольку из-за их узкой ширины линий и высоких эффективных температур стало ясно, что эти источники усиливают микроволновое излучение. [ нужна цитата ]
Затем мазеры были обнаружены вокруг высокоразвитых звезд позднего типа , получивших название OH/IR-звезды . Сначала была эмиссия гидроксида в 1968 году, [8] затем эмиссия воды в 1969 году [9] и эмиссия монооксида кремния в 1974 году. [10] Мазеры были открыты во внешних галактиках в 1973 году, [11] и в Солнечной системе в гало комет. [ нужна цитата ]
Еще одно неожиданное открытие было сделано в 1982 году, когда было обнаружено излучение внегалактического источника с непревзойденной светимостью примерно в 10 6 раз большей, чем у любого предыдущего источника. [12] Его назвали мегамазером из-за его большой светимости; С тех пор было открыто еще много мегамазеров. [7]
Слабый дисковый мазер был обнаружен в 1995 году, исходящий от звезды MWC 349A, с помощью Воздушной обсерватории НАСА Койпера . [8]
Доказательства существования субтермальной популяции с антинакачкой ( дасар ) при переходе формальдегида (H 2 CO) на частоте 4830 МГц наблюдались в 1969 году Палмером и др. [9] [10] [11] [12]
Связь мазерной активности с дальним инфракрасным (FIR) излучением использовалась для проведения поисков неба с помощью оптических телескопов (поскольку оптические телескопы легче использовать для поисков такого типа), а затем вероятные объекты проверяются в радиоспектре. Особое внимание уделяется молекулярным облакам, звездам OH-IR и активным галактикам FIR.
Следующие виды наблюдались в вынужденном излучении астрономических сред: [13]
Усиление или усиление излучения, проходящего через мазерное облако, является экспоненциальным. Это имеет последствия для производимого им излучения:
Небольшие различия в траектории в мазерном облаке неправильной формы сильно искажаются из-за экспоненциального усиления. Часть облака, длина пути которой немного больше, чем у остальных, будет выглядеть намного ярче (поскольку важен показатель степени длины пути), и поэтому мазерные пятна обычно намного меньше, чем их родительские облака. Большая часть излучения будет выходить вдоль этой линии наибольшей длины пути в виде «луча»; это называется сиянием .
Поскольку коэффициент усиления мазера экспоненциально зависит от инверсной населенности и длины когерентного по скорости пути, любое изменение любого из них само по себе приведет к экспоненциальному изменению выходного сигнала мазера.
Экспоненциальное усиление также усиливает центр формы линии ( гауссовую или лоренцеву и т. д.) больше, чем края или крылья. В результате форма эмиссионной линии становится намного выше, но не намного шире. Это делает линию более узкой по сравнению с неусиленной линией.
Экспоненциальный рост интенсивности излучения, проходящего через мазерное облако, продолжается до тех пор, пока процессы накачки способны поддерживать инверсную населенность на фоне растущих потерь на вынужденное излучение. В этом случае мазер называется ненасыщенным . Однако через какой-то момент инверсия населенности больше не может поддерживаться, и мазер насыщается . В насыщенном мазере усиление излучения линейно зависит от размера инверсной населенности и длины пробега. Насыщение одного перехода в мазере может повлиять на степень инверсии других переходов в том же мазере — эффект, известный как конкурентное усиление .
Яркостная температура мазера — это температура, которую имело бы черное тело, если бы оно производило ту же яркость излучения на длине волны мазера. То есть, если бы объект имел температуру около 10 9 К, он производил бы столько же излучения на частоте 1665 МГц, сколько сильный межзвездный мазер OH. Конечно, при 109 К молекула ОН диссоциирует ( kT больше , чем энергия связи ), поэтому яркостная температура не является показателем кинетической температуры мазерного газа, но, тем не менее, полезна для описания мазерного излучения. Мазеры имеют невероятные эффективные температуры, многие из них около 10 9 К, но некоторые доходят до 10 12 К и даже 10 14 К.
Важным аспектом исследования мазеров является поляризация излучения. Астрономические мазеры часто очень сильно поляризованы, иногда на 100% (в случае некоторых мазеров ОН) поляризованы по кругу и в меньшей степени линейно . Эта поляризация возникает из-за некоторой комбинации эффекта Зеемана , магнитного излучения мазера и анизотропной накачки, которая благоприятствует определенным переходам магнитного состояния .
Многие характеристики излучения мегамазера различны.
Кометы представляют собой небольшие тела (диаметром от 5 до 15 км) из замороженных летучих веществ ( например , воды, углекислого газа, аммиака и метана ), заключенных в твердый силикатный наполнитель, которые вращаются вокруг Солнца по эксцентричным орбитам. По мере приближения к Солнцу летучие вещества испаряются, образуя ореол, а затем и хвост вокруг ядра. После испарения эти молекулы могут образовывать инверсии и мазу. [ нужна цитата ]
Столкновение кометы Шумейкера-Леви 9 с Юпитером в 1994 году привело к мазерному излучению молекулы воды в области 22 ГГц. [17] Несмотря на кажущуюся редкость этих событий, наблюдение интенсивного мазерного излучения было предложено в качестве схемы обнаружения внесолнечных планет . [18]
Ультрафиолетовый свет Солнца расщепляет некоторые молекулы воды с образованием гидроксидов , которые могут образовывать гидроксиды. В 1997 году у кометы Хейла-Боппа наблюдалось мазерное излучение на частоте 1667 МГц, характерное для гидроксида . [19] [20]
Предсказано, что мазеры существуют в атмосферах газовых планет-гигантов. [21] Такие мазеры будут сильно меняться из-за вращения планет (10-часовой период для планет-гигантов). Циклотронные мазеры были обнаружены на северном полюсе Юпитера.
В 2009 г. С.В. Погребенко с соавт. [22] сообщили об обнаружении водных мазеров в шлейфах воды, связанных со спутниками Сатурна Гиперионом, Титаном, Энцеладом и Атласом.
Условия в атмосферах звезд поздних типов способствуют накачке разных видов мазеров на разных расстояниях от звезды. Из-за нестабильности в частях звезды, горящих ядер, звезда переживает периоды повышенного выделения энергии. Эти импульсы создают ударную волну, которая выталкивает атмосферу наружу. Гидроксильные мазеры встречаются на расстоянии примерно от 1000 до 10 000 астрономических единиц (а.е.), водные мазеры - на расстоянии примерно от 100 до 400 а.е., а мазеры на окиси кремния - на расстоянии примерно от 5 до 10 а.е. [23]
В качестве механизма накачки мазеров монооксида кремния были предложены как радиационная, так и столкновительная накачка, возникающая в результате ударной волны. [24] Эти мазеры уменьшаются при увеличении радиуса, поскольку газообразный монооксид кремния конденсируется в пыль, истощая доступные молекулы мазера. Для водяных мазеров пределы внутреннего и внешнего радиусов примерно соответствуют пределам плотности для работы мазера. На внутренней границе столкновений между молекулами достаточно, чтобы устранить инверсию населенностей. На внешней границе плотность и оптическая толщина настолько малы, что усиление мазера уменьшается. Гидроксильные мазеры поддерживают химическую накачку. На расстояниях, где находятся эти мазеры, молекулы воды диссоциируются под действием УФ-излучения.
Молодые звездные объекты и (сверх)компактные области H II , заключенные в молекулярные облака и гигантские молекулярные облака , поддерживают основную часть астрофизических мазеров. Различные схемы накачки – как радиационные, так и столкновительные, а также их комбинации – приводят к мазерному излучению множественных переходов многих видов. Например, было обнаружено, что молекула ОН действует на частотах 1612, 1665, 1667, 1720, 4660, 4750, 4765, 6031, 6035 и 13441 МГц. Для этих сред также характерны водные и метанольные мазеры. Относительно редкие мазеры, такие как аммиак и формальдегид, также могут быть обнаружены в областях звездообразования. [25]
Известно, что мазерный переход гидроксида на частоте 1720 МГц связан с остатками сверхновых , которые взаимодействуют с молекулярными облаками . [26]
Хотя некоторые мазеры в областях звездообразования могут достигать светимости, достаточной для обнаружения из внешних галактик (например, из близлежащих Магеллановых Облаков ), мазеры, наблюдаемые из далеких галактик, обычно возникают в совершенно других условиях. Некоторые галактики обладают центральными черными дырами , в которые падает диск молекулярного материала (размером около 0,5 парсека ). Возбуждение этих молекул в диске или струе может привести к образованию мегамазеров с большой светимостью. Известно, что в этих условиях существуют гидроксильные, водные и формальдегидные мазеры. [27]
Астрономические мазеры остаются активной областью исследований в радиоастрономии и лабораторной астрофизике, отчасти потому, что они являются ценными диагностическими инструментами для астрофизических сред, которые в противном случае могут ускользнуть от строгого количественного исследования, а также потому, что они могут облегчить изучение условий, которые недоступны. в земных лабораториях. Глобальное сотрудничество под названием «Организация мониторинга мазеров», в просторечии известное как M2O, [28] является одной из видных групп исследователей в этой дисциплине.
Под мазерной переменностью обычно понимают изменение видимой для наблюдателя яркости. Изменения интенсивности могут происходить во временных масштабах от дней до лет, что указывает на ограничения на размер мазера и схему возбуждения. Однако мазеры изменяются по-разному в разных временных масштабах.
Известно, что мазеры в областях звездообразования движутся по небу вместе с веществом, вытекающим из формирующейся звезды (звезд). Кроме того, поскольку излучение представляет собой узкую спектральную линию, лучевую скорость можно определить по изменению доплеровского сдвига наблюдаемой частоты мазера, что позволяет составить трехмерную карту динамики мазерной среды. Возможно, самым впечатляющим успехом этого метода является динамическое определение расстояния до галактики NGC 4258 на основе анализа движения мазеров в диске черной дыры. [29] Кроме того, водные мазеры использовались для оценки расстояния и собственного движения галактик Местной группы , включая галактику Треугольника . [30]
РСДБ- наблюдения мазерных источников в звездах поздних типов и областях звездообразования позволяют определить их тригонометрический параллакс и, следовательно, расстояние. Этот метод гораздо точнее, чем другие методы определения расстояний, и дает нам информацию о масштабе галактических расстояний, например, о расстоянии до спиральных рукавов.
В отличие от земных лазеров и мазеров, механизм возбуждения которых известен и разработан, для астрофизических мазеров верно обратное. Как правило, астрофизические мазеры обнаруживаются эмпирически, а затем изучаются дальше с целью выработки правдоподобных предположений о возможных схемах накачки. Количественная оценка поперечного размера, пространственных и временных изменений, а также состояния поляризации, обычно требующая РСДБ-телеметрии, полезна при разработке теории накачки. Галактическое образование формальдегида является одним из таких примеров, который остается проблематичным. [31]
С другой стороны, теоретически было предсказано появление некоторых мазеров, но их еще предстоит наблюдать в природе. Например, ожидается, что магнитные дипольные переходы молекулы ОН в районе 53 МГц произойдут, но их еще не наблюдали, возможно, из-за отсутствия чувствительного оборудования. [32]