Мегамазеры в космосе

МЕГАМАЗЕРЫ В КОСМОСЕ

Левицкий М.В.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

г. Минск, Республика Беларусь

        Иванов М.А. – канд. физ.-мат. наук, доцент

Анализируются условия работы природных безрезонаторных мазеров в больших газовых облаках и возникновение инверсной населённости за счет внешнего излучения. Отдельное внимание уделяется мегамазерам, которые представляют собой мощные источники вынужденного изотропного излучения, обнаруженные в галактиках с высокой активностью и изобилием молекулярного газа.

Термин мазер происходит от акронима MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения). Рассмотрим систему атомов или молекул с различными энергетическими состояниями; атом или молекула могут поглотить фотон и перейти на более высокий энергетический уровень, или же фотон может индуцировать излучение другого фотона с той же энергией в результате перехода атома или молекулы на более низкий энергетический уровень.

Функционирование мазера требует наличия инверсной заселённости, в рамках которой большее количество атомов/молекул находится на более высоких уровнях энергии. В подобном состоянии больше фотонов будет создано индуцирующим излучением, чем поглощено.

Такая система не находится в тепловом равновесии; необходим источник энергии, способствующий переходу атомов или молекул в возбуждённое состояние. При достижении состояния инверсной населённости фотон с энергией, равной разности энергий между двумя энергетическими уровнями, может индуцировать возникновение другого фотона с той же энергией. Атом или молекула при этом перейдут на более низкий энергетический уровень.

[pic 1]

Рисунок 1- Вынужденное испускание фотонов

В космосе равновесные условия крайне редки. Чем больше система выведена из равновесия, тем более ярким является феномен, ответственный за релаксацию последней к состоянию равновесия. Неравновесные условия могут поддерживаться достаточно долго, если имеется сторонний источник возмущения. К таким объектам относятся галактические и внегалактические мазеры на молекулах ОН, Н2О, SiO, H2CO и др.

Мегамазер — это тип астрофизического мазера, представляющего собой природный источник вынужденного излучения. Еще в 70-х годах от галактик М82 и NGC 253 было обнаружено мазерное радиоизлучение ОН, тогда их назвали супермазерами, так как их изотропная светимость на 1—2 порядка превышала светимость галактических объектов. Изотропная же светимость мегамазеров составляет (где  3.828 *1026 Вт) при красном смещении этих галактик z ~ (0,01—0,03).[pic 2][pic 3]

Внегалактическое мазерное излучение молекул Н2O в радиодиапазоне впервые было обнаружено от галактики МЗЗ, а наиболее мощные мазеры были обнаружены от галактики NGC 3079, NGC 4258, NGC 1068 с изотропной светимостью .[pic 4]

Галактики, в которых наблюдаются мегамазеры, богаты молекулярным газом и имеют огромную светимость в ИК диапазоне . Выделяют эти галактики также исключительной силы всплески звездообразования и мощные потоки в ультрафиолетовом диапазоне. [pic 5]

Но самые интересные свойства этих галактик — это их инфракрасные характеристики. Во-первых, в галактиках с мазерной эмиссией обнаружен сильный избыток инфракрасного излучения на 25 и 60 мкм. Кроме того, эти галактики имеют исключительно крутой спектр в области среднего инфракрасного диапазона и необычно пологий спектр в далекой инфракрасной области, что наряду с активным ядром и протяженными областями звездообразования отличает эти галактики от нормальных спиралей.

Из 10 наиболее ярких IRAS галактик со светимостью , пять являются мегамазерами ОН. Светимость IRAS галактик в 1012 сравнима со светимостью квазара, что наводит на мысль об эволюционной связи этих объектов.[pic 6][pic 7]

В нашей Галактике слабым аналогом мазерного излучения внегалактических молекул ОН, вероятно, может служить аномальное излучение в главных радиолиниях от пылевых облаков, кинетическая температура в которых ~10 К.

Если гидроксильные мегамазеры существенно отличаются от галактических гидроксильных мазеров, то водные мегамазеры не проявляют признаков радикального отличия условий возникновения по сравнению с галактическими водными мазерами. Водные мегамазеры можно описать той же функцией светимости, что и галактические водные мазеры.