2.8. 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.

. (2.54)

Инверсия может создаваться при помощи некоторого механизма накачки (излучением или столкновениями с частицами окружающего газа). При прохождении фонового радиоизлучения на частоте перехода n_ul возникает лавина вынужденных переходов u→l, 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 (§§ 5.5, 6.1).

Уравнения, описывающие перенос мазерного излучения в одномерном случае (в общем случае зависящие от времени):

(2.55)

член с A учитывает влияние спонтанных переходов (в мазере им обычно пренебрегают, так как основная роль принадлежит вынужденным переходам), P – мощность накачки (количество молекул, накачанных на верхний уровень u в 1 см³ за 1 с), I, Dn, P – функции x и t, a_n – коэффициент усиления мазера; второе уравнение отражает конкуренцию двух процессов: уменьшения Dn в результате вынужденных переходов сверху вниз и его увеличения за счет накачки.

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

(2.56)

– коэффициент мазерного усиления, A_ul – вероятность спонтанного перехода u®l, dn – ширина мазерной линии; нарастание интенсивности с расстоянием происходит экспоненциально;

б) насыщенный мазер (скорость вынужденных переходов превосходит частоту актов накачки, то есть практически вся мощность накачки используется для мазерного усиления):

, (2.57)

где S_p – скорость накачки (в расчете на одну молекулу за одну секунду), B – эйнштейновский коэффициент вынужденного перехода (2.39), W – телесный угол, в котором распространяется мазерное излучение; 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 u®l, участвуют другие, обозначенные p на рис. 2.7. В случае, когда уровень l представляет собой основное состояние молекулы (пример – линии OH l = 18 см), мазер можно считать трехуровневым; в других случаях в накачке участвуют 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 (§7.1). 2.9. Рассеяние излучения

Излучение в астрофизических условиях часто испытывает не только поглощение, но и рассеяние. Кратко рассмотрим два механизма рассеяния.

Томсоновское рассеяние. Этот вид рассеяния происходит на свободных электронах без изменения частоты. Сечение томсоновского рассеяния

= 6.65?10^–25 см² (2.58)

не зависит от частоты.

Эффект Комптона. В прямом эффекте Комптона при взаимодействии кванта с неподвижным электроном происходит уменьшение частоты кванта. Измененная частота кванта

(2.59)

q – угол рассеяния кванта. Эффект Комптона существенен только в тех случаях, когда велика оптическая толща по томсоновскому рассеянию, это имеет место, как правило, на достаточно высоких частотах – в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне, а в радиодиапазоне эффект Комптона незначителен: на этих частотах работает лишь томсоновское рассеяние. Тем не менее, здесь эффект Комптона рассматривается, поскольку он важен в некоторых задачах, имеющих отношение к радиоастрономии, в частности, при рассмотрении механизмов ускорения релятивистских электронов, генерирующих синхротронное излучение.

Если электрон движется и его кинетическая энергия превышает энергию кванта, то возможен процесс передачи энергии от электрона к квантам поля излучения.

. (2.60)

где u_rad – плотность энергии поля излучения в единицах mc², E – энергия электрона. Время жизни электрона из-за комптоновских потерь

. (2.61)

Отношение синхротронных потерь электрона к потерям на обратное комптоновское рассеяние

, (2.62)

где J – угол между вектором скорости электронов и направлением локального магнитного поля.

Обратный эффект Комптона может проявляться в ядрах галактик и квазаров в виде перекачки энергии от релятивистских частиц к квантам поля реликтового излучения с T_b = 2.7 K. В результате энергия квантов возрастает так, что радиокванты преобразуются в рентгеновские, а мощность синхротронного излучения электронов ограничивается величиной T_b ~ 10¹² K.

Принципиальное отличие эффектов рассеяния от эффекта свободно-свободного поглощения: томсоновское и комптоновское рассеяние происходит на свободных электронах, а свободно-свободное поглощение – при взаимодействии излучения со свободным электроном в поле иона, в этом процессе электрон и ион как бы образуют на время взаимодействия диполь.