Молекулярное мазерное излучение

 

При сильном отклонении от термодинамического равновесия возможно нарушение больцмановского распределения по уровням. Может реализоваться случай инверсии населенностей, когда температура возбуждения T_x некоторого перехода становится отрицательной. Это соответствует избытку населенности ("инверсии населенностей") верхнего уровня u относительно нижнего уровня l по сравнению с формулой Больцмана. Степень инверсии населенностей характеризуется величиной:

.                                                                                            (16.19)

Инверсия может создаваться при помощи некоторого механизма накачки (излучением с более высокой частотой и последующим переходом на нижний уровень или столкновениями с частицами окружающего газа). При прохождении фонового радиоизлучения на частоте перехода _ij возникает лавина вынужденных переходов i→j, и излучение многократно усиливается. Имеет место мазерный эффект (maser - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Условия, благоприятные для накачки молекул OH, H₂O и некоторых других, существуют в областях звездообразования, вблизи молодых звездных объектов, а также в газопылевых оболочках звезд на поздней стадии эволюции – красных гигантов и сверхгигантов.

Очевидно, что мазерное излучение возникает, если коэффициент поглощения отрицателен, то есть в нашем случае . Имеются два вида мазерного излучения:

а) ненасыщенный мазер (скорость накачки велика и превышает скорость вынужденных переходов):

                                                                                      (16.20)

Так как , то интенсивность будет экспоненциально расти с увеличением x. Однако на некотором расстоянии интенсивность возрастет настолько, что количество вынужденных переходов вниз превысит количество актов накачки и, тогда мы будем иметь

б) насыщенный мазер (скорость вынужденных переходов превосходит частоту актов накачки, то есть практически вся мощность накачки используется для мазерного усиления). В этом случае интенсивность растет линейно в зависимости от расстояния.

В космических источниках чаще реализуется случай насыщенного мазера: при значительном росте интенсивности условие случая (б) достигается очень быстро, и мазер переходит из ненасыщенного режима в насыщенный.

Для накачки мазера и создания инверсии населенностей некоторого перехода необходимы неравновесные условия (например, облучение анизотропным потоком радиации с непланковским спектром, различие температур газа и поля излучения и т.д.). Механизмы накачки делятся на радиативные (возбуждение излучением) и столкновительные (возбуждение столкновениями с частицами окружающего газа). В цикле накачки, помимо "сигнальных" уровней перехода i→j, могут участвовать и другие как вышележащие, так и нижележащие уровни.

Известны источники мазерного радиоизлучения (в линиях молекул OH, H₂O, CH₃OH, SiO и H₂CO) в областях звездообразования, в окрестностях молодых звездных объектов, и в газопылевых оболочках звезд поздних спектральных классов – красных гигантов и сверхгигантов (в линиях OH, H₂O, SiO и HCN). Особенно сильные мазеры OH, H₂O и H₂CO ("мегамазеры") обнаружены в некоторых активных галактиках.

 

Глава 17 Солнце

 

Вся солнечная активность и, в частности, проявляющаяся в радиоизлучении, обязана наличию магнитных полей. Существует знаменитое изречение ” Если бы не было магнитного поля, Солнце было бы весьма неинтересным объектом”. Но к счастью, это не так и благодаря магнитному полю существует большое разнообразие явлений интересных для исследования.

Радиоизлучение плазмы солнечной атмосферы на радиоволнах простирается в диапазоне длин волн от нескольких мм до десятков метров. Она находится как в равновесном состоянии, при этом излучение подчиняется законам излучения тепловой плазмы, так и в сильно неравновесном состоянии с нетепловым распределением частиц по скоростям и по питч-углам. В последнем случае излучение определяется гиросинхротронным или плазменными механизмами генерации радиоволн.

Пример радиоизлучения Солнца на частоте 17ГГц показан на рис.17.1, где хорошо видны участки как спокойного, так и активного (красно-зеленые участки) Солнца

 

Рис.17.1 Солнце по наблюдениям на частоте 17ГГц на интерферометре в Нобеяма.

 

Рис.17.2 Стратификация радиоизлучения по высоте от поверхности Солнца до Земли с указанием возможных механизмов генерации радиоволн.

Радиоизлучение стратифицировано по высоте. Высокочастотное излучение возникает в более глубоких слоях солнечной атмосферы. На рис.17.2 показана зависимость плазменной частоты и частоты, на которой оптическая глубина равно 1, в зависимости от высоты области над фотосферой. Также достаточно условно показаны возможные механизмы генерации радиоволн в активных областях на Солнце.

Для исследования радиоизлучения плазмы солнечной атмосферы используются радиотелескопы. Эти инструменты сильно отличаются между собой по диапазону, чувствительности, по пространственному, временному и частотному разрешению, по картографированию, анализу поляризованной составляющей и др. Радиотелескопы-рефлекторы с небольшими размерами параболических зеркал применяются, в основном, для измерения общего потока радиоизлучения Солнца на отдельных частотах радиодиапазона. Они составляют основу службы Солнца и дают информацию прикладного значения, используемой для изучения проблем солнечно-земной связи. Крупные инструменты используются для изучения фундаментальных проблем физики солнечной атмосферы: природы солнечной хромосферы, короны, ее нагрева и природы солнечных активных областей. В мире существует небольшое число таких инструментов.

Это - радиогелиограф в Нобеяма (Япония) на волнах 1.7 см (разрешение 10”*10”) и 8 см, радиогелиограф ССРТ в Бадарах (Россия) на волне 5.2 см (разрешение 20”*20”). Эпизодически используется крупная антенная решетка в США, VLA, на отдельных волнах сантиметрового и метрового диапазона с разрешением 1-10 угл.сек., интерферометр OVRO на частотах 1-20ГГц с разрешением, близким к разрешению радиотелескопа РАТАН-600. Относительно регулярно проводятся многоволновые одномерные наблюдения в диапазоне 1.6 см – 30 см на РАТАН-600 в ст. Зеленчукская с разрешением 15 угл сек на короткой волне ( ). В метровом диапазоне (150-430МГц) активные исследования ведутся на радиогелиографе в Нансей (Франция) с разрешением от 50” до 150” . Миллиметровом диапазоне отметим антенны Caltech MMA с разрешением в несколько секунд на частотах около 100 и 250 ГГц и радиотелескоп CSO/JCMT с разрешением около 10” на частотах более 200ГГц. На малых антеннах размещают спектрографы для исследования частотно-временных спектров всплесков, которые имеют высокое частотное (около 10МГц) и временное разрешение (около 10 мс)

 

Рис. 17.3. Параметры радиотелескопов

 

 

 

Рис.17.4. Радиогелиограф в Нобеяма (Япония).

 

 

 

Рис.17.5. Радиогелиограф в Бадарах (ССРТ)

 

 

 

Рис.17.6. Радиотелескоп РАТАН-600.

 

 

Рис.17.7. Радиотелескоп РТ-22 в Крыму.