Глава 4 Космические мазеры

Глава 4 Космические мазеры

Довольно скоро после открытия первых радиолиний межзвездного гидроксила, при выполнении рутинной программы наблюдений различных облаков межзвездного газа на волне 18 см (линия ОН!) совершенно неожиданно было обнаружено новое, исключительное впечатляющее явление. Обычно линии межзвездного гидроксила наблюдались в поглощении в спектре ярких радиоисточников. Как правило, эти линии были очень слабы, «глубина поглощения» редко превышала несколько процентов. Велико же было изумление радиоастрономов, когда в направлении на некоторые, ничем до сих пор не примечательные туманности, линии ОН были обнаружены в излучении, причем их яркость оказалась исключительно большой. Исследователи буквально не поверили своим глазам и, растерявшись, решили, что излучает эти линии не «банальная» молекула ОН, а некая неизвестная субстанция, для которой даже подобрано было подходящее название — «мистериум». Однако буквально через считанные недели «мистериум» разделил судьбу своих «оптических братьев» — «небулия» и «корония». Только для «развенчания» последних потребовались десятилетия, а «мистериум» не протянул и пары недель... Неплохая иллюстрация ускоряющихся темпов развития науки за последнее столетие!

Прежде всего, всякие сомнения в ответственности молекулы ОН за наблюдаемый удивительный феномен отпадают по той простой причине, что наблюдаются все четыре линии гидроксила как раз на тех частотах, где им и полагается быть. Однако относительные интенсивности их находятся в причудливом отношении, совсем не таком, каким полагается ему быть на основании простой теории, подтверждаемой наблюдениями слабых линий поглощения. Эта теория предсказывает для отношения интенсивностей линий ОН с частотами 1667, 1665, 1612 и 1720 МГц значения 9 : 5 : 1 : 1. Между тем уже первые наблюдения над вновь открытыми странными источниками линий излучения ОН показали, что самой интенсивной, как правило, является линия 1665, в то время как «линии-сателлиты» 1612 и 1720 МГц либо совсем отсутствуют, либо весьма слабы. Вскоре были обнаружены другие источники такого же типа, где самыми яркими как раз являются линии-сателлиты: в одних случаях 1612 МГц, в других — 1720 МГц. Итак, первая особенность линий «мистериума» — это их огромная интенсивность, в то время как второй особенностью является полное «искажение» относительных интенсивностей различных линий. Сразу же была обнаружена еще одна интересная особенность этих линий — их спектральный профиль состоит из довольно большого количества чрезвычайно узких максимумов, разбросанных на спектральном участке шириною в десятки килогерц (рис. 4.1). Профиль всякой спектральной линии (в том числе и радиолинии) определяется эффектом Доплера, возникающим вследствие движения излучающих частиц (атомов, молекул) в направлении луча зрения. Из анализа спектрального профиля необычных линий излучения ОН прежде всего следует, что излучающая область состоит из нескольких источников, движущихся друг относительно друга со скоростями в несколько километров в секунду, или несколько десятков километров в секунду. Что всего примечательнее, так это необыкновенная узость максимумов, меньше чем 1 кГц в шкале частот! С такими узкими линиями астрономы еще не имели дело. Если считать, что спектральная ширина каждого максимума определяется тепловыми движениями излучающих молекул ОН, то из крайней узости этих спектральных деталей следует, что кинетическая температура газа в излучающей области должна быть чрезвычайно низкой, всего лишь несколько кельвинов. Но этому противоречит огромная яркость линии, которой можно привести в соответствие только очень высокую температуру (разумеется, если считать это излучение тепловым). Стало ясно, что никакого «мистериума» в природе нет, а излучают обычные молекулы ОН, но только находящиеся в необычных условиях.

Рис. 4.1: Профили радиолиний мазерного излучения от молекулы ОН от источника, находящегося в туманности W 3.  

Дальнейшие наблюдения выявили новые интересные свойства этого необычного излучения. Оказалось, например, что оно сильнейшим образом поляризовано, причем, как правило, наблюдается круговая поляризация. В пределах одного и того же источника отдельные узкие максимумы его профиля почти на 100% поляризованы, причем у одних максимумов наблюдается «левая» круговая поляризация, а у других — «правая».

Уже из первых наблюдений следовало, что угловые размеры источников излучения линий ОН необычайно малы. Особенно это ясно стало после того, как эти источники стали исследоваться при помощи радиоинтерферометров. Наблюдения показали, что угловые размеры источников излучения порядка секунды дуги, между тем как угловые размеры зон Н II, в которых они обычно наблюдаются, часто исчисляются десятками угловых минут. Однако, как оказалось, даже секунды дуги не характеризуют «истинные» угловые размеры источников.

Самую ценную информацию дали наблюдения источника «мистериума» с помощью «межконтинентальных» радиоинтерферометров, о которых речь шла во введении к этой книге. Так как разрешающая способность таких интерферометров фантастически велика, порядка одной тысячной секунды дуги, то выполненные с их помощью наблюдения позволили выявить пространственную структуру источников аномального излучения линий ОН. Эта структура оказалась весьма нетривиальной.

Рис. 4.2: Структура мазерного источника в туманности W 3 (числа означают лучевые скорости конденсаций, символы «Л» и «П» означают левую и правую круговую поляризацию излучения соответствующих конденсаций).  

Рассмотрим для определенности один из хорошо исследованных источников, находящийся в «диффузной» туманности W 3 (рис. 4.2). Сравнительно грубые интерференционные наблюдения позволили сделать вывод, что угловые размеры этого источника около 1,5 секунды дуги. Однако наблюдения на «межконтинентальном» интерферометре показали, что в этом случае на площадке размером в 1 ,5 «разбросано» около десятка исключительно компактных источников, каждый из которых излучает одну очень узкую линию, причем частоты линий от различных источников несколько различны и соответствуют частотам «максимумов» спектрального профиля, приведенного на рис. 4.1. Угловые размеры каждого из таких источников исключительно малы, порядка нескольких тысячных секунды дуги! Зная расстояние до туманности W 3 (около 2000 парсек), по измеренным угловым размерам можно найти линейные размеры излучающих яркие линии «облаков». Они не превышают 10¹⁴ см, что всего в десять раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца. Заметим, что существуют красные гигантские звезды, размеры которых близки к 10¹⁴ см. Протяженность всей области, в которой находятся эти облака, не превышает сотой доли парсека. Эти облака движутся, что следует из небольших различий в частотах линий ОН, излучаемых каждым из таких облаков. Указанные различия обусловлены эффектом Доплера, откуда следует, что относительные скорости облаков порядка нескольких километров в секунду. Аналогичной структурой обладают и другие источники аномального излучения линий ОН.

По мере накопления наблюдательного материала выяснилось, что источники загадочного излучения отнюдь не образуют однородную группу объектов. Оказалось, что существуют по крайней мере три типа таких источников. Первый тип характеризуется огромной интенсивностью компонент линий гидроксила с частотами 1665 и 1667 МГц. Источники этого типа ассоциируются с зонами Н II и имеют структуру, которая была описана выше. Источники второго типа характеризуются только усилением компоненты 1612 МГц. Эти источники надежно отождествляются с красными и инфракрасными гигантскими звездами. Наконец, у источников третьего типа усиливается линия 1720 МГц. Обычно они проектируются на радиотуманности — остатки вспышек сверхновых звезд (см. § 16). Хотя последние два типа источников, конечно, весьма интересны, особый интерес представляют источники первого типа, так как скорее всего именно они имеют отношение к процессу звездообразования.

Сочетание очень большого потока радиоизлучения от облаков с их исключительно малыми угловыми размерами означает, что поверхностная яркость источников фантастически велика. Мы можем эту яркость выразить в температурных единицах. Если бы абсолютно черное тело на частотах линий имело бы такую же поверхностную яркость, его температура была бы больше, чем 10¹⁴ К. Тот факт, что спектральная ширина линий соответствует температуре всего лишь в несколько десятков кельвинов, означает, что найденная выше «яркостная» температура никакого отношения к реальной, кинетической температуре излучающего вещества не имеет.

В 1969 г. группа сотрудников Калифорнийского университета во главе с упоминавшимся выше профессором Таунсом открыла новый тип исключительно ярких «сверхкомпактных» источников, излучающих радиолинию водяных паров на волне 1,35 см. Эта линия возникает при переходах между шестым и пятым вращательными уровнями основного электронно-колебательного состояния трехатомной молекулы Н₂О. Как правило, эти источники наблюдаются там же, где и компактные источники ОН первого типа. Яркостная температура источников Н₂О даже больше, чем у источников ОН, и достигает рекордного значения 10¹⁵ К! По-видимому, она выше, так как методами межконтинентальной радиоинтерферометрии для большинства этих источников определена лишь верхняя граница угловых размеров, которая в ряде случаев равна 0,0003 секунды дуги.

Существенной особенностью компактных источников «аномального» излучения в линиях Н₂О является их переменность. За какие-нибудь несколько недель или даже дней меняются интенсивности отдельных «пиков» профиля, их ширины, поляризация и даже лучевые скорости «пиков». В отдельных случаях эти вариации проходят за гораздо более короткое время, например, за 5 минут. Уже из одного этого факта при некоторых простых предположениях следует вывод, что линейные размеры источников должны быть малы. Вряд ли они превосходят расстояние, которое свет проходит за время вариаций. Например, если последнее равно пяти минутам, верхняя граница размеров источников должна быть 10¹³ см, что почти равно расстоянию от Земли до Солнца. Заметим в этой связи, что у ряда источников ОН также наблюдается переменность излучения, но она происходит значительно медленнее, чем у источников Н₂О. Хотя координаты компактных источников Н₂О в пределах секунды дуги совпадают с координатами компактных источников ОН, профили радиолиний 1,35 см и 18 см, как правило, не показывают детального совпадения отдельных «пиков». Так как тонкая структура источников Н₂О имеет такой же вид, что и у источников ОН (т. е. очень маленькие конденсации, каждая из которых излучает отдельный спектральный пик, разбросанные по области размером в несколько секунд дуги), можно сделать вывод, что в одной и той же области порядка нескольких сотых парсека движутся как «облака», излучающие только линии Н₂О, так и облака, излучающие только ОН. В отличие от линии ОН, линии Н₂О неполяризованы.

Что же это за механизм излучения, который сочетает в себе, казалось бы, несочетаемые характеристики: необычно высокую яркостную температуру с низкой кинетической? Астрономам не пришлось такой механизм придумывать, К тому времени, когда были открыты линии «мистериума», физики уже свыше 10 лет пользовались квантовыми генераторами «когерентного» излучения — мазерами (в радиодиапазоне) и лазерами (в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах). Совершенно естественно, что довольно скоро после открытия удивительных ярких линий ОН было понято, что источники этих линий суть не что иное, как естественные космические мазеры. Основной особенностью всякого мазера является отсутствие в нем теплового равновесия между излучающими атомами (молекулами) и окружающей средой. Напомним, как работает обычный мазер. Для этого следует вспомнить основы теории излучения, заложенные Эйнштейном еще в 1915 г. Мы ограничим наше рассмотрение только излучением в отдельных спектральных линиях (хотя это вовсе не обязательно). Такое излучение возникает при переходах между «верхним» и «нижним» уровнями всякой атомной системы. Величайшая заслуга Эйнштейна состоит в том, что он показал, что существуют два типа таких переходов. Первый тип — это так называемые «спонтанные» или «самопроизвольные» переходы, когда атом без всякой внешней причины, так сказать, «сам по себе», переходит из более возбужденного состояния в менее возбужденное, излучая при этом квант. Это явление просто означает, что возбужденные состояния атомных систем нестабильны. Стабильным состоянием (т. е. таким состоянием, в котором атомная система может пребывать сколь угодно долго) может быть только «основное», «самое глубокое» состояние. Об этом подробно уже шла речь в § 2.

Однако находящийся на возбужденном («верхнем») уровне атом может совершить переход «вниз» не только спонтанно, но и под влиянием взаимодействующих с ним квантов поля излучения, в котором атомная система находится. Эти кванты должны иметь ту же энергию, что и кванты, излучаемые атомной системой при соответствующем переходе. Такой тип переходов называется «вынужденным» или «индуцированным». Существенно, что «индуцированный» квант распространяется в том же направлении, что и «индуцирующий». Обозначим концентрацию частиц на верхнем уровне через n₂, а на нижнем n₁. Тогда число сопровождающихся излучением квантов переходов в единице объема за единицу времени запишется так:

где A₂₁ — вероятность спонтанных переходов, u₂₁ — плотность излучения на частоте рассматриваемой спектральной линии, B₂₁ = A₂₁, где h — постоянная Планка, c — скорость света, ₁₂ — частота линии.

Величины A₂₁ и B₂₁ называются «эйнштейновскими коэффициентами».

С другой стороны, атомы (молекулы), находящиеся на «нижнем» уровне будут поглощать кванты той же частоты и переходить на верхний уровень. Число таких переходов в единице объема за единицу времени будет равно

где B₁₂ = B₂₁ (с точностью до некоторого множителя, который мы для упрощения выкладок будем считать равным единице). Процесс (4.2) описывает поглощение излучения при его прохождении через вещество. Если бы не было процессов излучения, описываемых формулой (4.1), то интенсивность излучения I после прохождения им слоя газа толщиною l уменьшилась бы по закону

где I ⁰ — интенсивность до прохождения слоя газа, а величина , пропорциональная эйнштейновскому коэффициенту B₁₂, называется коэффициентом поглощения. Учет индуцированных переходов, очевидно, уменьшает коэффициент поглощения, ибо переходы приводят к появлению новых квантов, распространяющихся в том же направлении, что и падающие на вещество. В результате этого коэффициент поглощения изменяется:

При тепловом равновесии отношение n₂/n₁ описывается известной формулой Больцмана

Как видим, при любой температуре это отношение всегда меньше единицы. В этом случае учет индуцированных переходов приводит лишь к уменьшению коэффициента поглощения. Этот эффект особенно силен на низких частотах радиодиапазона. Например, из-за индуцированных переходов коэффициент поглощения межзвездного водорода для линии 21 см уменьшается в сотни раз!

Однако при отсутствии теплового равновесия между излучением и средой может возникнуть такая ситуация, при которой n₂ > n₁. В этом случае коэффициент поглощения становится отрицательным (см. формулу (4.4)). Тогда наступает удивительное явление: излучение, проходя через среду, вместо того, чтобы уменьшать свою интенсивность (как это всегда наблюдается в житейской практике), становится более интенсивным. Это можно понять как «лавинообразное» увеличение числа фотонов по мере их прохождения через такую среду: число индуцированных квантов стремительно нарастает и этот процесс «перекрывает» неизбежные процессы поглощения. Среда, обладающая такими необычными свойствами, называется «активированной». Формально, на основании формулы Больцмана, мы можем такой среде приписать отрицательную температуру.

«Сама по себе», т. е. по причине только «равновесных», тепловых процессов, отрицательная температура в среде никогда не возникнет. Для того чтобы это произошло, т. е. чтобы среда «активировалась», необходимо, чтобы действовали какие-то неравновесные процессы, приводящие к аномально высокому возбуждению «верхнего» уровня атомной системы. Такие процессы носят образное название «накачки». Накачка, например, может осуществиться путем облучения вещества мощным потоком монохроматического излучения, переводящим атомную систему из «нижнего» уровня на некоторый третий уровень, более высокий, чем второй. Частота такого излучения, конечно, больше, чем ₁₂. При переходах атомной системы с третьего уровня «вниз» может реализоваться избыточная «населенность» второго уровня. Такая накачка искусственно переводит атомную систему с «первого» уровня на «второй», тем самым создавая в ней «отрицательную» температуру. Излишне говорить, что как только накачка прекратит свое действие, все «станет на свое место», температура будет положительной и никакого усиления излучения на частоте ₁₂ не будет. Описанный прием «активации» среды очень часто применяется в практике работы с лабораторными мазерами и лазерами, однако он не является единственно возможным. Например, все большее значение приобретает так называемая «химическая» накачка. Суть ее состоит в том, что при разного рода химических процессах между атомами и молекулами могут образовываться частицы «рабочего вещества» (т. е. молекул или атомов, которые осуществляют мазерное усиление спектральной линии) преимущественно во втором (т. е. возбужденном) состоянии.

Мазерное излучение в высокой степени когерентно, так как между индуцирующими и индуцируемыми квантами существуют правильные фазовые отношения. Оно может обеспечить почти стопроцентную поляризацию, если «активированная» среда усиливает только излучение определенного вида поляризации. Мазерное излучение может обладать весьма острой направленностью, недостижимой ни в каких прожекторных устройствах. Это достигается тем, что можно усиливать только излучение, идущее в строго определенном направлении. С другой стороны, в принципе, можно изготовить почти «изотропные» мазеры.

Если бы на газ, являющийся «рабочим веществом» мазера, действовала только «накачка», в нем установилась бы некоторая «отрицательная температура», или, говоря проще, концентрация молекул на «верхнем» уровне была бы на величину n = n₂ - n₁ больше, чем на нижнем. Но в реальном газе действуют процессы, стремящиеся уменьшить эту «избыточную» населенность возбужденного уровня. К числу таких процессов прежде всего относятся столкновения между молекулами, стремящиеся установить больцмановское распределение между обоими уровнями, описываемое формулой (4.2). А при таком распределении «населенность» «второго» уровня всегда будет меньше, чем первого. Другим процессом, уменьшающим «избыточную» населенность более высокого уровня, является индуцированное излучение и поглощение. Если плотность излучения достаточно велика, то, как следует из формул (4.1) и (4.2), баланс между этими процессами приведет к равенству населенностей обоих уровней. Итак, в реальном газе как бы «противоборствуют» друг с другом две тенденции: накачка стремится установить некоторую определенную избыточную населенность высшего уровня, в то время как столкновения и индуцированные процессы стремятся ее выровнять. От соотношения между этими двумя тенденциями зависят условия работы реальных мазеров.

Рассмотрим эти условия с количественной стороны. Пусть некоторый процесс накачки при отсутствии «конкурирующих» процессов столкновений и индуцированного излучения и поглощения создает «избыточную» населенность «верхнего уровня» n₀. С учетом «конкурирующих» процессов избыточная населенность будет равна

где W_с, W_и и W_н — рассчитанные на одну молекулу вероятности столкновений, индуцированных процессов и накачки. Например, W_н дает для одной молекулы число актов возбуждения накачкой «второго» уровня за одну секунду. W_н = B₁₂I, где  — телесный угол мазерного пучка.

Рассмотрим сначала случай, когда W_н W_с + W_и т. е. поле излучения квантов с частотой ₁₂ имеет сравнительно малую плотность. В этом случае, как показывают расчеты, интенсивность, выходящая из «активированного» слоя газа, будет равна

где, как и прежде, I означает протяженность слоя газа, в котором происходит мазерное усиление, =  — энергия излучения единицы объема в единичном телесном угле в единичном интервале частот за единицу времени, обусловленная спонтанными переходами, _D — ширина усиливаемой линии, выраженная в единицах частоты (с^-1 или Гц), I ⁰ — интенсивность излучения до его прохождения через «активированный» газ, = e^- 2  — коэффициент «отрицательного поглощения». Из формулы (4.7) следует, что работающий при таких условиях мазер (он называется «ненасыщенным») экспоненциально, т. е. очень «круто», усиливает излучение «подложки», падающее на его заднюю стенку, и «собственное» спонтанное излучение в линии ₁₂, возникающее в толще газа. Так как коэффициент поглощения очень резко зависит от частоты (в пределах ширины линии), то. в силу экспоненциального характера усиления наиболее сильно будет усиливаться самая центральная часть линии, в результате чего ширина линии становится меньше раз в 5—6.

Если толщина газового слоя l достаточно велика, то интенсивность излучения становится настолько значительной, что индуцированные процессы начинают менять избыточную населенность второго уровня, что приводит к изменениям характера работы мазера и, прежде всего, его усиления. При W_н W_и и W_и W_с, мы будем иметь уже насыщенный мазер. В этом случае, как показывают простые расчеты,

Из этой формулы следует, что интенсивность излучения на выходе насыщенного мазера складывается из излучения «подложки» (которое не усиливается), индуцированного излучения и спонтанного излучения. Во всех представляющих практический интерес случаях второй член в формуле (4.8) значительно превосходит остальные. Он имеет весьма простой смысл: интенсивность мазерного излучения определяется только мощностью механизма накачки. Количество выходящих из мазера квантов усиливаемой радиации не превосходит количества актов накачки во всем объеме мазера. Если накачка осуществляется путем поглощения «рабочими» молекулами более высокочастотных квантов, то можно утверждать, что для насыщенного мазера количество «мазерных» квантов меньше квантов накачки (все эти величины относятся к единице времени).

Вариации интенсивности ненасыщенного мазера легко объясняются вариациями интенсивности «подложки», которой пропорциональна усиливаемая интенсивность (см. формулу (4.7)). В случае насыщенного мазера вариации интенсивности зависят только от его внутренних свойств, например, мощности, накачки, длины и пр. Интенсивность насыщенного мазера растет с ростом l по линейному закону, т. е. гораздо медленнее, чем у ненасыщенного. В насыщенном мазере спектральная ширина линий не уменьшается. Заметим, однако, что в начале усиления, т. е. при сравнительно малом l, каждый мазер является ненасыщенным. Поэтому на выходе насыщенного мазера ширина спектральной линии все-таки значительно уменьшается.

Как уже говорилось выше, мазеры могут быть как остронаправленными, так и более или менее изотропными. В последнем случае наблюдаемые угловые размеры источника излучения оказываются значительно меньше угловых размеров объема, где происходит усиление. Особенно велик этот эффект для насыщенных мазеров, где в видимом центре шарообразного газового объема будет наблюдаться горячее пятно, диаметр которого в десятки раз меньше диаметра облака. Образно можно представить себе излучение такого сферического мазера в виде своеобразного «ежика» (рис. 4.3, а) в отличие от «обыкновенного» излучателя, схематически представленного на рис. 4.3, б). Если усиливающая излучение область имеет цилиндрическую форму, то излучение будет выходить преимущественно из торцов цилиндра, т. е. оно будет достаточно направленным.

Рис. 4.3: Схема, иллюстрирующая излучение изотропного мазера («ежик»).  

Все свойства компактных, чрезвычайно ярких радиоисточников, излучающих в линиях ОН и Н₂О, говорят о том, что радиоастрономы обнаружили естественные космические мазеры. Как уже говорилось выше, поток радиоизлучения от этих источников необычно велик. Например, на волне 1,35 см (линия Н₂О) поток от источника, известного под названием W 49, достигает 10 000 единиц спектральной плотности потока[ 15 ]. Это — огромная величина. Никакие другие источники космического радиоизлучения, находящиеся за пределами Солнечной системы, не посылают к нам на этом диапазоне таких потоков. Даже Луна, расположенная в самой непосредственной близости к Земле, посылает нам в этом диапазоне поток, который, рассчитанный на единицу частоты, всего лишь примерно в 30 раз больше. Заметим в этой связи, что источник W 49 весьма от нас удален. Расстояние до него около 14 000 пс, т. е. он находится в совершенно другой части Галактики. Это расстояние в тысячу миллиардов раз больше, чем расстояние от Земли до Луны, а ведь потоки излучения обратно пропорциональны квадрату расстояния до источника. Мощность излучения W 49 в линии водяных паров порядка 10³¹ эрг/с, т. е. всего лишь в несколько сотен раз меньше болометрической светимости Солнца. Для радиодиапазона, тем более в одной узкой спектральной линии, это непомерно большая величина.

Сделаем теперь оценку физических характеристик источников мазерного излучения I типа. Из измеренных угловых размеров излучающих областей (10^-2—10^-3 секунды дуги) в сочетании с известными расстояниями до зон Н II, в которых эти источники находятся, следует, что линейные размеры космических мазеров l 10¹⁴ см — всего лишь на порядок больше радиуса орбиты Земли. Для того чтобы яркостная температура была 10¹³—10¹⁵ К, нужно, чтобы излучение увеличило свою интенсивность в 10¹²—10¹⁴ раз. Напомним, что в радиочастотном диапазоне интенсивность пропорциональна яркостной температуре (формула Рэлея—Джинса!). Для нашей грубой оценки будем считать мазер ненасыщенным. Тогда из формулы (4.7) следует, что

откуда l 30. В выражение для коэффициента отрицательного поглощения 12 входит эйнштейновский коэффициент A₂₁, который в нашем случае равен 10^-11 с^-1. Величина _D 10³ с^-1, откуда n 1 см^-3. Примем, что n/n 0,1. Тогда концентрация молекул гидроксила n 10 см^-3, что в сотни миллионов раз больше, чем в «нормальных» облаках межзвездного газа (см. § 2). Для насыщенного мазера (что более вероятно) величина n получается значительно больше. Полная концентрация всех атомов и молекул в области мазерного излучения должна быть по меньшей мере 10⁶—10⁷ см^-3. Отсюда следует, что эти области никак уже нельзя рассматривать как плотные облака межзвездной среды. Скорее это похоже на разреженные атмосферы звезд-гигантов, да и линейные размеры у них одного порядка. С учетом того, что мазерный эффект уменьшает ширины линий в несколько раз, кинетическая температура среды, в которой усиливается излучение, вряд ли превосходит 2—3 тысячи кельвинов. Скорее она даже меньше. Таким образом, по своим физическим свойствам области мазерного излучения напоминают протяженные атмосферы холодных гигантских звезд.

Потоки мазерного излучения от наиболее ярких источников настолько велики, что они могли бы быть, в принципе, обнаружены даже при той чувствительности радиотелескопов, которая была в 1950—1955 гг. Для этого надо было знать «только» частоту этого излучения и упорно искать источники. Но сами мазеры были изобретены на Земле лишь в 1954 г... Об этом стоит подумать, когда говорят о роли астрономии для практики и о взаимосвязи «чистых» и «прикладных» наук... Сейчас, когда мазеры и лазеры стали могучим орудием переживаемой нами в настоящее время научно-технической революции, мы уже не удивляемся, что в естественной космической среде, при отсутствии теплового равновесия между излучением и веществом, могут реализовываться условия, приводящие к мазерным эффектам. Проблема состоит в том, чтобы понять, каким образом эти условия возникают и прежде всего — какой механизм «накачки» действует в космических мазерах?

Естественнее всего считать, что механизм накачки космических мазеров, работающих на линиях ОН и Н₂О, является «радиационным». Особенно это относится к молекулам гидроксила, имеющим богатейший инфракрасный и ультрафиолетовый спектры. Можно полагать, что при отсутствии термодинамического равновесия в сравнительной близости от «сторонних» источников инфракрасного или ультрафиолетового излучения поглощение этого излучения в различных линиях и последующие «каскадные» переходы на нижележащие уровни в конечном счете могут привести к аномально высокой населенности возбужденных уровней этих молекул. Первая гипотеза о природе накачки исходила из представления, что накачка «верхнего» уровня лямбда-удвоения основного вращательного уровня молекулы ОН происходит при поглощении ультрафиолетовых квантов, соответствующих резонансному электронному переходу у этой молекулы. В этом случае длина волны излучения накачки 3080 Е.

Основанием для этой гипотезы было то, что первоначально открытые источники аномального излучения, относящиеся к первому типу, находились в областях H II, внутри которых, как известно, находятся горячие О—В-звезды (см. § 2). Можно было полагать, что излучение этих звезд в ближней ультрафиолетовой области достаточно мощно, чтобы обеспечить необходимую накачку. Увы, эти ожидания не оправдались!

Дело в том, что есть все основания полагать, что мазеры от ярких космических источников ОН (так же, как и Н₂О) насыщенны. Это следует из спектрального профиля отдельных «пиков», который во всех исследовавшихся случаях является гауссовым (т. е. уменьшение интенсивности по мере удаления от центра пика следует закону I ~ e^{-( )}2, где  — расстояние от центра «пика»). Гауссов профиль является необходимым атрибутом линий насыщенного мазера. Если же мазер ненасыщенный, то интенсивность будет спадать с ростом по другому закону. Коль скоро наш мазер насыщенный, можно утверждать, что число квантов накачки должно быть никак не меньше, чем число мазерных радиоквантов, излучаемых источником. Следует, однако, помнить, что каждый ультрафиолетовый квант накачки имеет энергию в 6 10⁵ раз большую, чем радиоквант. С другой стороны, только очень узкая полоска непрерывного спектра горячих звезд идет на накачку. Отсюда, например, следует, что в мощнейшем источнике мазерного излучения W 49 для обеспечения нужной накачки должно находиться около 1000 звезд спектрального класса О. Между тем для поддержания оптического излучения этого источника требуется не больше 10 таких горячих звезд!

Наш расчет получен в предположении, что излучение космических мазеров обладает малой направленностью, т. е. телесный угол близок к единице. Конечно, делая достаточно малым, например, 1/100, мы можем описанную выше энергетическую трудность снять. Но тогда мы неизбежно столкнемся с другой трудностью: если 1, то должно быть по крайней мере в сотни раз большее количество источников мазерного излучения, чьи «лучи» направлены мимо нас. Это потребует непомерно большого количества горячих звезд в Галактике, чего заведомо не наблюдается. Другим недостатком такого механизма накачки является сильное поглощение ультрафиолетового излучения космической пылью, в большом количестве находящейся в источниках космического мазерного излучения. Итак, механизм накачки ультрафиолетовым излучением находящихся поблизости от источников ОН горячих звезд оказался несостоятельным.

Вскоре после открытия источников мазерного излучения на линиях ОН автор этой книги в 1966 г. высказал гипотезу, что накачка может осуществляться инфракрасными квантами вращательно-колебательного спектра ОН. Источником такого инфракрасного излучения накачки могут быть звездообразные объекты, имеющие высокую светимость в длинноволновой спектральной области, т. е. сочетающие сравнительно низкую температуру поверхности и огромные линейные размеры. Вполне естественно было предположить, что такими инфракрасными объектами могут быть протозвезды. Действительно, уже на стадии свободного падения протозвезды должны быть мощными источниками инфракрасного излучения. На последующей стадии гравитационного сжатия (так называемая «стадия Хаяши» — см. § 5) протозвезды также должны быть источниками мощного инфракрасного излучения, так как их поверхностные температуры в течение довольно длительного времени поддерживаются на постоянном уровне, близком к 3500 К. Заметим, что в 1966 г. были известны только источники ОН, отождествляемые с зонами Н II, в которых имеются молодые звезды, входящие в ассоциации, и где, как можно полагать, процесс звездообразования продолжается «на наших глазах» либо недавно кончился. Итак, нами была высказана гипотеза, что мазерные источники ОН связаны с рождением звезд, а механизмом накачки является инфракрасное излучение протозвезд.

Эта гипотеза сразу же привлекла к себе внимание и в последующие годы интенсивно разрабатывалась рядом авторов. Одновременно шел быстрый процесс накопления наблюдательного материала, приведший к выяснению структуры источников, их отождествлению с другими объектами и классификации на три группы. Говоря о накачке инфракрасными квантами, следует иметь в виду два совершенно различных процесса. Во-первых, накачка может осуществляться квантами близкой инфракрасной области с длиной волны 2,8 мкм. Такие кванты возбуждают высшие колебательные уровни молекул ОН, переходы с которых «вниз» могут создать «избыточную» населенность исходного для излучения линии 18 см уровня. Во-вторых, накачка может осуществляться «далекими» инфракрасными квантами с длинами волн 120 и 80 мкм, возбуждающими вращательные уровни ОН. Развитие теории потребовало значительного усложнения картины накачки. В частности, при расчете накачки «далекими» инфракрасными «вращательными» квантами потребовалось рассмотрение процессов многократного рассеяния таких квантов в среде, где находятся молекулы ОН. Тщательные вычисления показали, что одни лишь «вращательные» кванты могут обеспечить мазерный эффект только для компонент лямбда-удвоения с частотами 1612 и 1720 МГц. Таким образом, они не могут обеспечить избыточную населенность для исходных уровней основных компонент линии 18 см — 1665 и 1667 МГц, которые как раз характерны для источников первого типа. Однако и результат для линии 1612 МГц представляет большой интерес. Учет одновременного присутствия большого количества квантов в «близкой» инфракрасной области при достаточно высокой кинетической температуре среды ( 2000 К) дополнительно даст сравнительно небольшую избыточную населенность и для «верхних» уровней линий 1665 и 1667 МГц. Следовательно, при таких условиях можно ожидать очень яркую линию 1612 МГц и значительно более слабые линии 1665 и 1667 МГц, между тем как линия 1720 МГц должна быть в поглощении. Но как раз это и наблюдается для источников излучения ОН II типа, отождествляемых с инфракрасными звездами!

Лучше всего исследован источник этого типа, отождествляемый с незадолго до этого открытой инфракрасной звездой NML Лебедя. Эта звезда находится сравнительно близко от Солнца. Подобные объекты представляют собой красные гигантские звезды «позднего» спектрального класса М с очень большим избытком инфракрасного излучения в диапазоне 2—5 мкм. Указанный инфракрасный избыток объясняется плотной пылевой оболочкой, окружающей эти звезды. Такая оболочка поглощает излучение своей «центральной» звезды, нагревается до температуры 600—800 К и переизлучает его в инфракрасную область. Наряду с мазерным излучением в линии 1612 МГц эти звезды излучают также мазерное излучение в линии паров воды 1,35 см. У звезд такого типа наблюдается несколько компонент линии 1612 МГц, немного отличающихся по частоте. Обычно эти компоненты образуют в каждой звезде две группы, причем спектральное расстояние между этими группами соответствует разнице «доплеровских» скоростей в несколько десятков километров. Эти группы называются «красная» (с большей лучевой скоростью) и «синяя». Скорее всего, наличие этих двух групп линий связано с вращением звезды. Очень возможно, что объекты типа NML Лебедя представляют собой не звезды, а протозвезды, хотя это пока еще не доказано. Вообще, проблема далеко не так проста. Дело осложняется еще и тем, что некоторые красные сверхгиганты с неправильно сильно меняющимся блеском типа знаменитой звезды «Мира Кита» также обнаруживают мазерные линии излучения 1612 МГц (ОН) (довольно умеренной интенсивности) и линию водяного пара 1,35 см. В инфракрасном спектре поглощения у этих звезд обнаружены линии водяного пара. Но звезды типа Миры Кита заведомо не являются молодыми, что следует хотя бы из их пространственного распределения.

Этот пример показывает, что излучение мазерных линий может и не быть связанным с процессами звездообразования. Поэтому очень актуальной задачей современной астрономии является выяснение возраста объектов типа NML Лебедя.

Источники мазерного излучения ОН третьего типа, в которых усиливается линия 1720 МГц, скорее всего генетически связаны с расширяющимися туманностями — остатками вспышек сверхновых звезд (см. часть III). Следует, впрочем, заметить, что мазерные источники «III типа» пока еще очень плохо исследованы. По-видимому, за фронтом ударной волны, вызываемой в межзвездной среде взрывом сверхновой (см. § 16), образуется плотный, довольно холодный газ с большим содержанием молекул.

Но вернемся к источникам ОН и Н₂О первого типа, находящимся в зонах Н II. Ведь именно эти источники скорее всего связаны с процессом звездообразования. Следует заметить, что в непосредственной близости от таких источников наблюдаются как «точечные» (т. е. «звездообразные»), так и протяженные инфракрасные источники. Следовательно, возможность накачки инфракрасными квантами пока исключить нельзя. Тем не менее в последнее время для таких мазерных источников все большее предпочтение исследователи оказывают химическим механизмам накачки.

Выше были получены (правда, весьма грубо) самые общие физические характеристики мазерных источников. Напомним, что эти источники должны представлять собой довольно плотные газовые облака, кинетическая температура которых может быть 1—2 тысячи градусов, а размеры близки к размерам красных сверхгигантов. Протяженность областей мазерного усиления для самых ярких источников в линии Н₂О, следующая из наблюдаемых 5-минутных вариаций потока, вряд ли превышает «астрономическую единицу» — расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5 10¹³ см. Тогда из теории насыщенного мазера (см. формулу (4.8), где W_н 1 с^-1) следует, что концентрация «рабочих молекул» воды должна быть 10⁶ см^-3, а полная концентрация всех молекул (преимущественно Н₂) должна быть 10¹⁰ см^-3. При такой высокой плотности весьма велика вероятность столкновения между частицами. Например, обычная «газо-кинетическая» частота столкновений W_с n_H2 V 1 с^-1, где 10^-15 см² — поперечное сечение молекулы, V 10⁵ см/с — ее скорость (при оценке величины n мы приняли W_н W_с). Среди столкновений будут и такие, которые сопровождаются образованием возбужденных молекул ОН. В результате такого «химического возбуждения» может возникнуть избыточная населенность исходных для излучения радиолиний ОН и Н₂О уровней.

Следует заметить, что эта проблема кинетики химических реакций довольно сложна и окончательного решения вопроса о возможности химической накачки космических мазеров пока еще нет. Разными авторами рассчитывались различные реакции, которые, по идее, могли бы обеспечить химическую накачку космических мазеров. Укажем, например, на такие реакции:

Значок «звездочка» означает возбужденное состояние молекулы. Некоторые из предложенных реакций являются экзотермическими (например, реакция образования воды ОН + Н₂ Н₂О + Н + 0,69 эВ). Сравнительно высокая кинетическая температура газа поэтому является благоприятным фактором. Очень перспективно образование возбужденных молекул ОН и Н₂О на фронте ударной волны. Такие волны следует ожидать в протозвездах на самых поздних фазах стадии свободного падения, а также в «старых» остатках сверхновых (см. ниже). Возбужденные молекулы ОН могут образовываться также при столкновении молекул воды со сравнительно энергичными атомами или ионами водорода:

Для этого механизма накачки большой трудностью является вопрос: откуда берутся такие энергичные атомы или ионы атомарного водорода? Возможно, что и в этом случае ударные волны могут «спасти положение». Наконец, не следует забывать о наличии большого количества пылинок в области генерации мазерного излучения. Пылинки могут быть катализаторами химических реакций, приводящих к образованию возбужденных молекул ОН и Н₂О. Кроме того, сравнительно быстрые протоны, которые могут образовываться на фронтах ударных волн, будут просто «выбивать» возбужденные молекулы ОН из поверхностного слоя «ледяных» пылинок, вернее,— кристалликов льда.

Мы видим, что проблема накачки космических мазеров первого типа может быть и, по-видимому, является труднейшей проблемой современной «астрохимии». Можно, однако, надеяться, что она будет решена в близком будущем.

В заключение этого параграфа мы резюмируем аргументы в пользу связи источников мазерного излучения радиолиний ОН и Н₂О с областями, где происходит процесс звездообразования.

1. Многие, хотя и не все, мазерные источники связаны с яркими зонами H II. Эти области межзвездной среды возбуждаются к свечению очень горячими массивными звездами спектральных классов О и В, которые, как будет показано ниже, являются молодыми объектами. Вместе с тем нужно подчеркнуть, что далеко не во всех зонах H II наблюдаются мазерные источники. В этой связи следует заметить, что возраст различных зон H II меняется в довольно широких пределах — от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов лет. Похоже на то, что мазерные источники ОН и Н₂О группируются преимущественно в молодых зонах Н II. Хорошим примером «молодой» зоны Н II является известная туманность Ориона.

2. Вскоре после открытия космических мазеров в зонах Н II, где они наблюдаются, были обнаружены до тех пор неизвестные радиоисточники нового типа. Их спектр оказался по своему характеру тепловым, а угловые размеры очень малыми — порядка нескольких секунд дуги. Стало ясно, что излучают малые, довольно плотные облака плазмы, нагретые до температуры около 10 000 К. То, что эти источники по своей природе являются тепловыми, наглядно доказывается наличием в их спектре рекомбинационных радиолиний водорода (см. § 2). Описанные источники получили название «компактных H II областей». Линейные размеры этих образований порядка 0,1 парсека, а концентрация электронов в них 10⁴—10⁵ см^-3, т. е. в сотни раз больше среднего значения для ярких H II областей. Компактные H II области ионизованы и излучают только потому, что внутри них должна находиться горячая О—В звезда. Но такие звезды там не наблюдаются, так же как не наблюдаются и сами компактные H II области в оптических лучах. Вывод отсюда только один: там имеется огромная толща поглощающей свет пыли. С другой стороны, плотность окружающей среды, как правило, ниже, чем внутри компактной H II зоны, где температура в сотню раз выше. Следовательно, внешнее давление никак не может остановить расширение компактной зоны Н II и последующее ее рассеяние за время порядка нескольких десятков тысяч лет. Значит, компактные Н II зоны и находящиеся внутри них горячие массивные звезды представляют собой «ультрамолодые» объекты: они образовались «на памяти» кроманьонского человека! Откуда же взялся там газ, масса которого порядка нескольких солнечных масс или даже больше? Все говорит о том, что этот газ — «остаток» диффузной среды, из которой образовалась звезда. Там очень много пыли, делающей такой объект совершенно непрозрачным для оптических лучей. Поэтому находящиеся внутри компактных H II областей звезды получили образное название «звезды-коконы». Исключительный интерес представляет то обстоятельство, что очень многие мазерные источники ОН и Н₂О, принадлежащие к первому типу, в пределах ошибок наблюдений (которые очень малы, порядка секунды дуги) совпадают с компактными Н II областями. Тесная ассоциация мазерных источников первого типа с компактными H II областями, несомненно, доказывает их молодость и прямую связь с процессом звездообразования (см. § 5).

3. Многие мазерные источники первого типа отождествляются с «точечными» инфракрасными источниками. В данном случае слово «точечные» означает, что их угловые размеры меньше 2 . Такие инфракрасные объекты наблюдаются, в частности, в туманностях Ориона, W 3 и W 49, где находятся самые яркие мазерные источники. Тщательные исследования типичного «точечного» инфракрасного источника в туманности Ориона (он там находится рядом с источником длинноволнового инфракрасного излучения с угловым диаметром около 30 , о котором речь шла выше) показали, что его никак нельзя рассматривать как «нормальную» звезду высокой светимости, погруженную в плотное пылевое облако. Вычисленный по его излучению диаметр точечного источника в Орионе равен 50 астрономическим единицам, в то время как в W 3 он около 600. Температура излучающего плотного газово-пылевого облака, которым является такой источник, равна соответственно 550 и 350 кельвинов. Полная светимость таких объектов в тысячи раз превышает светимость Солнца. Таким образом, вся совокупность наблюдений говорит о том, что эти объекты являются не чем иным, как протозвездными оболочками. Более подробно об этом будет говориться в § 5.