Войти
Авроры на северном полюсе Юпитера генерируют циклотронные мазеры (Хаббл )астрофизический мазер - это естественный источник стимулированного излучения спектральной линии, обычно в микроволновой части электромагнитного спектра.. Это излучение может возникать в молекулярных облаках, кометах, планетных атмосферах, звездных атмосферах, или различные другие условия в межзвездном пространстве.
Как лазер, излучение от мазера является стимулированным (или засеянным) и монохроматическим, имеющим частоту , соответствующую энергии разница между двумя квантово-механическими уровнями энергии видов в усиливающей среде, которые были накачаны в нетепловое распределение популяции. Однако в природных мазерах отсутствует резонансная полость, разработанная для наземных лабораторных мазеров. Излучение астрофизического мазера возникает из-за однократного прохождения через усиливающую среду и поэтому обычно не имеет пространственной когерентности и чистоты моды, ожидаемых от лабораторного мазера.
Из-за различий между разработанными и естественными мазерами часто утверждается, что астрофизические мазеры не являются «истинными» мазерами, потому что в них отсутствуют резонаторы для колебаний. Различие между лазерами на основе генераторов и однопроходными лазерами намеренно игнорировалось лазерным сообществом в первые годы существования технологии, поэтому настойчивые утверждения некоторых в научных кругах о наличии резонатора колебаний как Критерий определения «мазерного» статуса кажется несколько произвольным и надуманным.
Это фундаментальное несоответствие в языке привело к использованию других парадоксальных определений в этой области. Например, если усиливающая среда (смещенного) лазера представляет собой затравленное, но не осциллирующее излучение, говорят, что он испускает усиленное спонтанное излучение или УСИ. Это ASE рассматривается как нежелательное или паразитное (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 является ASE, но иногда его называют сверхизлучательным излучением, чтобы отличить его от лабораторного явления. Это просто добавляет путаницы, поскольку оба источника сверхизлучены. В некоторых лабораторных лазерах, например, при однократном прохождении через регенеративно усиленный Ti: Sapph этап, физика прямо аналогична усиленному лучу в астрофизическом мазере.
Кроме того, практические ограничения использования m для обозначения микроволн в мазере используются по-разному. Например, когда лазеры были первоначально разработаны в видимой части спектра, их называли оптическими мазерами. Таунс защищал, что m означает молекулу, поскольку энергетические состояния молекул обычно обеспечивают переход генерации. Наряду с этим некоторые будут использовать термин лазер для описания любой системы, которая использует электронный переход, и термин мазер, чтобы описать систему, которая использует вращательный или колебательный переход, независимо от выходная частота. Некоторые астрофизики используют термин iraser для описания мазера, излучающего на длине волны в несколько микрометров, хотя в сообществе оптики аналогичные источники, которые они называют лазерами. Термин электрошокер использовался для описания лабораторных мазеров в режиме терагерц, хотя астрономы могут называть эти субмиллиметровые мазеры, а лабораторные физики обычно называют эти газовые лазеры или в частности спиртовые лазеры в отношении видов усиления. Сообщество электротехники обычно ограничивает использование слова «микроволновая печь» частотами примерно от 1 ГГц до 300 ГГц, то есть длинами волн от 30 см до 1 мм соответственно.
Простого существования инверсной населенности с накачкой недостаточно для наблюдения мазера. Например, должна быть согласованность скоростей вдоль луча зрения, чтобы доплеровский сдвиг не предотвращал радиационное взаимодействие инвертированных состояний в различных частях усиливающей среды. Кроме того, хотя поляризация в лабораторных лазерах и мазерах может быть достигнута путем выборочной генерации желаемых мод, поляризация в естественных мазерах будет возникать только при наличии накачки, зависящей от состояния поляризации, или магнитного поля . в среде усиления. Наконец, излучение астрофизических мазеров может быть довольно слабым и может не обнаруживаться из-за ограниченной чувствительности (и относительной удаленности) астрономических обсерваторий, а также из-за иногда подавляющего спектрального поглощения непрокачиваемых молекул мазеров в окружающем пространстве. Это последнее препятствие может быть частично преодолено за счет разумного использования пространственной фильтрации, присущей интерферометрическим методам, особенно интерферометрии с очень длинной базой (VLBI).
Основное применение мазерных исследований заключается в том, что они дают ценную информацию об условиях в космосе, таких как температура, числовая плотность, магнитное поле и скорость, в наиболее интересных средах, включая рождение и смерть звезд, и центры галактик, содержащих черные дыры. Условия, связанные с этими событиями, все еще нуждаются в более точных измерениях, чтобы теоретические модели могли быть уточнены или пересмотрены.
В 1965 году Уивер и др. Сделали неожиданное открытие: эмиссионные линии неизвестного происхождения в космосе на частоте 1665 МГц. В то время многие исследователи все еще думали, что молекулы не могут существовать в космосе, даже несмотря на то, что они были обнаружены МакКелларом в 1940-х годах, и поэтому излучение сначала приписывалось неизвестной форме межзвездного вещества под названием Mysterium., но вскоре было идентифицировано излучение как линейное излучение молекул OH в компактных источниках внутри молекулярных облаков. За этим последовали новые открытия: выбросы H 2 O в 1969 году, выбросы CH 3 OH в 1970 году и выбросы SiO в 1974 году, причем все они происходили изнутри молекулярных облаков. Их назвали «мазерами», поскольку из-за их узкой ширины линии и высоких эффективных температур стало ясно, что эти источники усиливают микроволновое излучение.
Мазеры были открыты вокруг высокоразвитых звезд позднего типа (названных звездами OH / IR ). Сначала была эмиссия OH в 1968 году, затем эмиссия H 2 O в 1969 году и эмиссия SiO в 1974 году. Мазеры были также обнаружены во внешних галактиках в 1973 году и в Солнечной системе в гало комет..
Еще одно неожиданное открытие было сделано в 1982 году, когда было обнаружено излучение внегалактического источника с непревзойденной светимостью, примерно в 10 раз большей, чем у любого предыдущего источника. Он получил название мегамазер из-за его большой светимости; с тех пор было открыто гораздо больше мегамазеров.
Слабый дисковый мазер был обнаружен в 1995 году, исходящий от звезды MWC 349A, с помощью воздушной обсерватории Койпера.
НАСА, свидетельствующей о наличии анти-накачиваемого (дасара ) субтермического Население при переходе формальдегида на частоте 4830 МГц (H 2 CO) наблюдали в 1969 году Palmer et al.
Связь мазерной активности с излучением в дальней инфракрасной области (FIR) использовалась для поиска неба с помощью оптических телескопов (поскольку оптические телескопы легче использовать для поиска такого рода), и затем вероятные объекты проверяются в радиоспектре. Особое внимание уделяется молекулярным облакам, звездам OH-IR и активным галактикам FIR.
В стимулированном излучении из астрономической среды наблюдались следующие виды:
Усиление или усиление излучения, проходящего через Мазерное облако экспоненциально. Это имеет последствия для производимого ими излучения:
Небольшие разницы в траектории через мазерное облако неправильной формы сильно искажаются из-за экспоненциального усиления. Часть облака, имеющая длина пути немного больше, чем у остальных, будет казаться намного ярче (так как значение имеет показатель степени длины пути), и поэтому мазерные пятна обычно намного меньше, чем их родительские облака. Большая часть излучения будет выходить вдоль этой линии наибольшая длина пути в «луче»; это называется излучением.
Поскольку коэффициент усиления мазера экспоненциально зависит от Что касается инверсии населенности и длины когерентного пути скорости, любое изменение любого из них само по себе приведет к экспоненциальному изменению выходной мощности мазера.
Экспоненциальное усиление также усиливает центр формы линии (гауссовский или лоренцианский и т. Д.) Больше, чем края или крылья. Это приводит к тому, что форма линии излучения намного выше, но не намного шире. Это делает линию более узкой по сравнению с линией без усиления.
Экспоненциальный рост интенсивности излучения, проходящего через мазерное облако, продолжается до тех пор, пока процессы накачки могут поддерживать инверсию населенности против растущих потерь из-за вынужденного излучения. При этом мазер считается ненасыщенным. Однако после определенного момента инверсия населенностей больше не может поддерживаться, и мазер становится насыщенным. В насыщенном мазере усиление излучения линейно зависит от величины инверсии населенности и длины пути. Насыщение одного перехода в мазере может повлиять на степень инверсии других переходов в том же мазере - эффект, известный как конкурентный выигрыш.
яркостная температура мазера - это температура, которую черное тело могло бы иметь, если бы излучение такой же яркости на длине волны мазер. То есть, если бы объект имел температуру около 10 K, он произвел бы столько же излучения на частоте 1665 МГц, сколько мощный межзвездный мазер OH. Конечно, при 10 К молекула ОН будет диссоциировать ( (kT больше, чем энергия связи ), поэтому яркостная температура не указывает на кинетическую температуру мазера. газа, но, тем не менее, полезен для описания мазерного излучения. Мазеры имеют невероятные эффективные температуры, у многих около 10К, но у некоторых до 10К и даже 10К.
Важным аспектом мазерных исследований является поляризация излучения. Астрономические мазеры часто очень сильно поляризованы, иногда 100% (в случае некоторых мазеров OH) по круговой форме и в меньшей степени по линейной. Эта поляризация обусловлена некоторой комбинацией эффекта Зеемана, магнитного излучения мазерного излучения и анизотропной накачки, которая способствует определенным переходам магнитного состояния.
Многие характеристики излучения мегамазера отличаются.
Кометы представляют собой небольшие тела (5–15 км в диаметре) из замороженных летучих веществ (H 2 O, CO 2, NH 3, CH 4), залитые в твердый силикатный наполнитель. Они вращаются вокруг Солнца по эксцентрическим орбитам, и по мере приближения к Солнцу летучие вещества испаряются, образуя ореол, а затем и хвост вокруг ядра. После испарения эти молекулы могут образовывать инверсии и мазь.
Столкновение кометы Шумейкера-Леви 9 с Юпитером в 1994 г. привело к мазерному излучению молекулы воды в диапазоне 22 ГГц. Несмотря на кажущуюся редкость этих событий, наблюдение интенсивного мазерного излучения было предложено в качестве схемы обнаружения внесолнечных планет.
Ультрафиолетовый свет Солнца разрушает некоторые молекулы H 2 O, образующие OH. молекулы, которые могут образовывать. В 1997 году мазерное излучение молекулы ОН на частоте 1667 МГц наблюдалось из кометы Хейла-Боппа.
Предполагается, что мазеры существуют в атмосферах планет газовых гигантов, например [13]. Такие мазеры будут сильно изменяться из-за вращения планет (10-часовой период для планет Юпитера). Циклотронные мазеры обнаружены на северном полюсе Юпитера.
В 2009 году С.В. Погребенко и др. сообщили об обнаружении водяных мазеров в шлейфах воды, связанных с сатурнианскими лунами Гиперионом, Титаном, Энцеладом и Атласом.
Пульсации переменной Мира S Орион, показывающие образование пыли и мазеры (ESO) Условия в атмосферах звезд поздних типов поддерживают накачку мазеров разных видов на разных расстояниях от звезды. Из-за нестабильности ядерных горящих участков звезды, звезда переживает периоды повышенного выделения энергии. Эти импульсы создают ударную волну, которая выталкивает атмосферу наружу. Гидроксильные мазеры встречаются на расстоянии примерно от 1000 до 10000 астрономических единиц (а.е.), водяные мазеры - на расстоянии примерно от 100 до 400 а.е., мазеры на монооксиде кремния - на расстоянии примерно от 5 до 10 а.е. Как излучательная, так и столкновительная накачка, возникающая в результате ударной волны, были предложены в качестве механизма накачки для мазеров из монооксида кремния. Эти мазеры уменьшаются с увеличением радиуса, поскольку газообразный монооксид кремния конденсируется в пыль, истощая доступные мазерные молекулы. Для водных мазеров пределы внутреннего и внешнего радиусов примерно соответствуют пределам плотности для мазеров. На внутренней границе столкновений между молекулами достаточно, чтобы убрать инверсию населенностей. На внешней границе плотность и оптическая толщина достаточно низки, чтобы уменьшить усиление мазера. Кроме того, гидроксильные мазеры поддерживают химическую перекачку. На расстояниях, где находятся эти мазеры, молекулы воды диссоциируют под действием УФ-излучения.
Молодые звездные объекты и (ультра) компактные области H II, заключенные в молекулярные облака и гигантские молекулярные облака, поддерживают большинство астрофизических мазеров. Различные схемы накачки - как радиационные, так и столкновительные, а также их комбинации - приводят к мазерному излучению множественных переходов многих видов. Например, молекула ОН обнаруживает генерацию на частотах 1612, 1665, 1667, 1720, 4660, 4750, 4765, 6031, 6035 и 13441 МГц. Мазеры на воде и метаноле также типичны для этих сред. Относительно редкие мазеры, такие как аммиак и формальдегид, также могут быть обнаружены в областях звездообразования.
WISE изображение IC 443, остаток сверхновой с мазерным излучением Известно, что мазерный переход на 1720 МГц молекулы OH связан с остатками сверхновой, которые взаимодействуют с молекулярные облака.
В то время как некоторые мазеры в областях звездообразования могут достигать светимости, достаточной для обнаружения от внешних галактик (например, близлежащих Магеллановых облаков ), мазеры наблюдаются издалека галактики обычно возникают в совершенно разных условиях. У некоторых галактик есть центральные черные дыры, в которые падает диск из молекулярного материала (размером около 0,5 парсек ). Возбуждение этих молекул в диске или в струе может привести к мегамазерам с большой светимостью. Известно, что в этих условиях существуют мазеры на основе гидроксила, воды и формальдегида.
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 тщательного количественного исследования, и потому, что они могут облегчить изучение условий, недоступных в наземных лабораториях.
Мазерная изменчивость обычно понимается как изменение видимой яркости для наблюдателя. Изменения интенсивности могут происходить во временных масштабах от дней до лет, что указывает на ограничения размера мазера и схемы возбуждения. Однако мазеры меняются по-разному в разные периоды времени.
Известно, что мазеры в областях звездообразования движутся по небу вместе с материалом, истекающим из формирующейся звезды (звезд). Кроме того, поскольку излучение представляет собой узкую спектральную линию, лучевая скорость может быть определена по изменению доплеровского сдвига наблюдаемой частоты мазера, что позволяет получить трехмерное отображение динамики мазерная среда. Возможно, наиболее впечатляющим успехом этого метода является динамическое определение расстояния до галактики NGC 4258 на основе анализа движения мазеров в диске черной дыры. Кроме того, водные мазеры использовались для оценки расстояния и собственного движения галактик в Местной группе, включая наблюдения Галактики Треугольник.
VLBI. мазерных источников в звездах поздних типов и областях звездообразования позволяют определить их тригонометрический параллакс и, следовательно, их расстояние. Этот метод намного более точен, чем другие определения расстояний, и дает нам информацию о масштабе галактических расстояний (например, расстояние до спиральных рукавов).
В отличие от земных лазеров и мазеров, механизм возбуждения которых известен и разработан, для астрофизических мазеров верно обратное. В общем, астрофизические мазеры открываются эмпирически, а затем изучаются дополнительно, чтобы разработать правдоподобные предположения о возможных схемах накачки. Количественная оценка поперечного размера, пространственных и временных вариаций и состояния поляризации (обычно требующих РСДБ-телеметрии) - все это полезно при разработке теории накачки. Галактический формальдегид - один из таких примеров, который остается проблематичным.
С другой стороны, теоретически предсказано появление некоторых мазеров, но их еще предстоит наблюдать в природе. Например, магнитные дипольные переходы молекулы OH около 53 МГц ожидаются, но еще не наблюдаются, возможно, из-за отсутствия чувствительного оборудования.
