Существует ли лазер в природе?

Существует ли лазер в природе?

Ответ, по-видимому, да! Лазерное излучение с длиной волны около 10 мкм (типичная линия излучения двуокиси углерода, на которой работают мощные СO₂ лазеры, находящие широкое применение, в частности для механической обработки материалов) было обнаружено в атмосферах Марса и Венеры в 1981 г. исследователями из Лаборатории экспериментальной физики Центра управляемых полетов им. Годдарда (НАСА). Это излучение уже наблюдалось в 1976 г. студентами Таунса, который стал заниматься проблемой астрофизики, но только в 1981 г. было установлено, что причиной его является естественный лазер.

Инверсная населенность перехода молекулы двуокиси углерода, которая составляет значительную часть атмосферы этих планет, получается в результате солнечного света, и поэтому получается только на освещенной полусфере. Это такой же механизм, как и в лазерах на СO₂, построенных на Земле. Они работают на длине волны 10 мкм и используются в качестве мощных лазеров для резки и сварки металлов и других применений. Линии излучения в атмосферах этих планет почти в 100 миллионов раз интенсивнее, чем если бы газ испускал их в условиях термодинамического равновесия при температуре атмосферы. Часть наблюдаемого излучения является излучением, усиленным в инверсно населенной среде. Если бы можно было поместить два зеркала на орбите вокруг этих планет, мы могли бы получить такую же генерацию, которую получаем в земных условиях. Возможности реализации лазера на планетарном масштабе вне нашего понимания, но что будет в будущем, мы не знаем. Эти линии излучения оказались полезными для измерения температур и ветров на Марсе и Венере.

Космические мазеры, как уже говорилось, были обнаружены много лет назад, и нет причин исключать существование и космических лазеров. Однако для их существования требуется более трудный процесс, поскольку необходимо большие энергии фотонов. В начале 1995 г., группа астрономов зарегистрировала усиленное инфракрасное излучение, приходящее от диска водорода, вращающегося вокруг молодой звезды в созвездии Лебедя, находящейся от нас на расстоянии 4000 световых лет. Интенсивность излучения на одной из длин волн, по сравнению с соседними длинами волн, показывает наличие вынужденного излучения (рис. 62). Предварительные наблюдения в 1994 г. одной из звезд, обозначенной MWC349, уже показали интенсивное мазерное излучение от ее диска на длинах волн 850 мкм и 450 мкм, испускаемое водородом. Изучение процессов, которые ответственны за это излучение, привело к предположению, что также возможно излучение на менее коротких длинах волн, испускаемое из области диска вблизи звезды.

Рис. 62. Природный лазер в звезде MWC349. Лазерное излучение происходит в диске водорода, ближайшего к звезде, а мазерное излучение получается в более отдаленных областях. Излучение испускается в плоскости, показанной на рисунке, и достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей в этой же плоскости

Исследователи из NASA поместили инфракрасный телескоп на самолете, летающие на высоте 12 500 м. На этой высоте поглощение исследуемого излучения в атмосфере существенно ослабляется. Они наблюдали линию на 169 мкм, интенсивность которой в шесть раз превышала ожидаемую интенсивность при термическом равновесии. Излучение на этой линии производится атомами водорода, ионизованными интенсивным УФ-излучением звезды или из-за более сложных процессов, происходящих в диске. Когда ионы рекомбинируют со свободными электронами, они испускают фотоны. Большая часть излучения испускается спонтанно, но возможно также и вынужденное излучение. Такой же процесс дает мазерное излучение в других частях диска, но в центральных частях наблюдается лазерное излучение, частично, из-за того, что водород там плотнее, частично, из-за того, что интенсивность ультрафиолетового излучения выше. Случайно, диск ориентирован по отношению к Земле так, что можно зарегистрировать лазерное излучение. Диск представляет собой область, где, как полагают, могут формироваться планеты, и наблюдаемое излучение приходит от той части этой «колыбели планет», которая удалена от звезды на расстояние, приблизительно равное расстоянию между Землей и Солнцем. Поэтому лазерное излучение может помочь нам лучше понять состояние газа в диске. Длина волны 169 мкм лежит на границе областей, которые относят к микроволнам, и оптического диапазона. Поэтому можно говорить как о мазерном, так и о лазерном эффекте.

Лазеры в ультрафиолетовой области также существуют. Излучение в этой области было обнаружено с помощью космического телескопа Хаббл. Оно испускается из газового облака вблизи звезды ?-Киля.

Итак, мы можем заключить, что в космосе уже существуют естественные мазеры и лазеры. Поэтому мы можем более точно сказать, что мазеры и лазеры были не изобретены, а открыты[14].