Лазер принес нам за последние несколько десятилетий много пользы, так что не стоит удивляться, что всю отличную репутацию получил именно он. Его двоюродный брат, находящийся чуть дальше по спектру, называется мазером, но, по сути, является почти тем же, за исключением того, что свет заменён микроволнами.

Самый мощный лазер, сделанный рукой человека, для сравнения достиг мощности 500 триллионов ватт. Вселенная считает это какой-то тусклой свечой, ведь в космосе существуют мазеры мощностью в ноннилион ватт. В числах, названия которых вы слышали, это миллион триллионов триллионов – мощность в 10000 раз превышающая возможности нашего Солнца.

Мазер появляется благодаря квазарам, являющихся большими дисками материи, сталкивающихся с массивными центральными чёрными дырами далёких галактик. Как ни странно, источником самых мощных мазеров является вода. Молекулы воды в квазаре сталкиваются друг с другом, излучая микроволны и заставляя соседей делать то же самое. Эта цепная реакция усиливает сигнал, помогая ему достичь состояния мазера, который мы можем увидеть.

Мазер квазара MG J0414+0534 был зарегистрирован в 2008 году и послужил доказательством существования воды в 11,1 миллиарда световых лет от нас.

Космические мазеры – это естественные источники вынужденного согласованного микроволнового излучения, связанного с какими-либо астрономическими объектами, например молекулярными облаками (больше известны как звездные колыбели). Чаще всего мазер возникает в газе с инверсной (обратной) населенностью энергетических уровней.

Обычно в любом газе молекулы и атомы распределяются по энергетическим уровням, при этом на верхнем их меньше, а на нижнем больше. При инверсной населенности ситуация строго обратная. В этом случае возникает неравновесное состояние, при котором число частиц на верхних энергетических уровнях (в возбужденном состоянии) больше, чем на нижних.

Если в такую среду попадает фотон с энергией, соответствующей разности энергий между энергетическими уровнями частиц, то он вызывает процесс их перехода с верхнего на нижний уровень. В ходе этого процесса высвобождается энергия. Чтобы избавиться от нее, частицы испускают когерентные (согласованные) фотоны – почти точную копию тех, что попали в этот газ ранее. В итоге возникает лавинообразное усиление излучения – точно как в лазере. Однако излучают молекулярные облака не в видимом диапазоне, как лазеры, а в микроволновом, поэтому их и называют мазерами.

В межзвездном газе инверсная населенность энергетических уровней наблюдается в протозвездных и протопланетных дисках, областях звездообразования, оболочках эволюционировавших звезд, остатках сверхновых и в окрестностях сверхмассивных черных дыр в других галактиках. При этом наиболее сильное излучение наблюдается в линиях воды (H2O), метанола (CH3OH) и оксида кремния (SiO). Так происходит потому, что эти области межзвездного газа постоянно получают энергию от накачки внешним излучением – например, от молодой звезды.

В том случае, если происходит резкое изменение условий накачки или два (или более) облака газа в процессе движения совмещаются на луче зрения наблюдателя, возможно резкое усиление излучения – вспышка мазера. При этом яркостная температура наблюдаемого источника может достигать сотен триллионов градусов (рассчитывается она так, как если бы это было тепловое излучение абсолютно черного тела).

Понять, что перед ними мазер, а не нечто, нагретое до сотен триллионов градусов, астрофизикам помогает лишь то, что ширина спектральных линий при этом значительно меньше нормальной для теплового излучения. На самом деле излучающий газ имеет относительно низкую температуру – всего сотни градусов.

Космические мазеры очень важны, поскольку позволяют понять физические параметры областей звездообразования по всему Млечному Пути и даже в центрах других галактик.

Наиболее удаленный космический мазер из всех до сих пор известных был обнаружен вблизи активной галактики. Это открытие предоставит возможность установить природу неуловимой темной энергии, ускоряющей расширение Вселенной.

Космические мазеры – это сверхкомпактные области в облаках межгалактического газа, которые являются источником мощного микроволнового излучения. Мазеры переизлучают энергию какого-либо источника радиации, находящегося в непосредственной близости от облака, в узкой и строго определенной полосе микроволновой области спектра (длина волны от 30 см до 1 мм). Возникшее микроволновое излучение, в свою очередь, возбуждает другие молекулы газа облака, усиливая интенсивность линии в полной аналогии с принципом действия лазера в оптическом диапазоне.

Основной особенностью всякого мазера является отсутствие в области, где происходит излучение, теплового равновесия между излучающими атомами или молекулами и окружающей средой. В этом случае коэффициент поглощения среды становится отрицательным. Это значит, что излучение, проходя через среду, вместо того, чтобы уменьшать свою интенсивность, становится более интенсивным. Происходит лавинообразное увеличение числа фотонов по мере их прохождения через такую среду: число индуцированных квантов стремительно нарастает и этот процесс перекрывает неизбежные процессы поглощения.

Впервые мазеры были обнаружены в облаках рядом с яркими молодыми звездами в нашей Галактике. Позднее они были найдены и в плотных скоплениях молекулярного газа вокруг колоссальных черных дыр, обычно находящихся в центре активных галактик – квазаров. Поскольку вокруг черной дыры образуется вихревое гравитационное поле, материя, прежде чем быть поглощенной, в непосредственной близости от дыры вовлекается во вращательное движение, причем на определенном расстоянии скорость движения приближается к световой. Это приводит к жесткому рентгеновскому и гамма-излучению, благодаря чему черная дыра и может быть обнаружена. Это излучение иногда и «зажигает» космические мазеры.

Совсем недавно, выполняя обзор 47 удаленных квазаров, Роберт Антонуччи (Robert Antonucci) из университета штата Калифорния в Санта-Барбара и Ричард Барвейнис (Richard Barvainis) из Национального научного фонда США, обнаружили мазер рядом с квазаром, который находится от нас на расстоянии приблизительно 6,5 млрд. световых лет, что в 10 раз дальше, чем наблюдавшиеся ранее объекты такого рода. А это открывает новые перспективы изучении природы черных дыр на столь ранних этапах образования Вселенной.

Как правило, газовые облака, испускающие микроволновое излучение, обращаются вокруг черной дыры. Измеряя доплеровское смещения линий мазера, можно определить орбитальную скорость движения, что позволяет оценить не только массу черной дыры, но и расстояние, на котором находится облако по отношению к центральной части квазара.

Особенность открытия состоит в том, что мазер дает возможность определить абсолютное расстояние до квазара не только полагаясь на яркость квазара, но и на основании углового размера облака, что значительно повышает точность определения и, главное, может быть индикатором того, насколько искривлено пространство в той области Вселенной.

Дело в том, что в плоской Вселенной оценки расстояния на основании яркости и углового размера объекта совпадают. Но они отличаются в искривленном пространстве, которое, согласно общей теории относительности, образуется вблизи гравирующих масс. Тот факт, что мы обнаружили мазер на расстоянии 6,5 млрд. лет, и, следовательно, можем определить свойства пространства в столь раннюю эпоху, открывает возможность проверки космологических гипотез, в частности, влияния темной энергии на эволюцию Вселенной.

Согласно современным представлениям, темная энергия начала оказывать влияние на расширение Вселенной только 5 млрд. лет назад, что соответствует расстояниям до объектов 5 млрд. световых лет. Этот момент считается поворотным пунктом в эволюции нашего мира. Поиск других мазеров вблизи этого критического расстояния и изучение природы пространства, в котором существуют порождающие их квазары, позволит проверить, насколько вообще обоснована гипотеза о темной энергии. Таким образам, космические мазеры могут стать новым классом объектов для тестирования любых космологических теорий.

Открытие самого удаленного мазера было сделано при помощи наблюдений на 43-метровом радиотелескопе Green Bank в Западной Виржинии, США – одного из крупнейших в мире, но одноантенного инструмента. Его разрешающей способности оказалось недостаточно для того, чтобы определить точные размеры облака, где находится мазер. В самом ближайшем будущем планируются наблюдения этого объекта с использованием техники интерферометрии со сверхдлинной базой, которая осуществляет апертурный синтез сигналов, получаемых сетью радиотелескопов, расположенных на разных континентах, и имеет разрешающую способность порядка миллисекунд дуги.

Мощное лазерное излучение с длиной радиоволны было обнаружено на самом большом расстоянии в глубоком космосе.

Это тип безмассового космического объекта под названием мегамазер, и его свет пролетел 5 миллиардов световых лет, чтобы достичь нас на Земле. Астрономы, обнаружившие его с помощью радиотелескопа MeerKAT в Южной Африке, назвали его Nkalakatha – слово на языке исизулу означает "большой босс".

Информация об открытии была принята в журнал The Astrophysical Journal Letters и доступна на сервере препринтов arXiv.

"Впечатляет, что всего за одну ночь наблюдений мы уже нашли рекордный мегамазер", – сказал астроном Марцин Гловацки из узла Университета Кертина Международного центра радиоастрономических исследований (ICRAR) в Австралии. "Это показывает, насколько хорош телескоп".

Мазер – это микроволновый эквивалент лазера (усиление света путем стимулированного излучения). Вместо того чтобы излучать видимый свет, мазер излучает микроволны и радиоволны, которые стимулируются и усиливаются. Для астрофизического мазера процессы, усиливающие свет, являются космическими; планеты, кометы, облака и звезды могут создавать мазеры.

Как вы уже догадались, мегамазер – это мазер с серьезной мощностью. Как правило, такие излучения производятся объектом, который в каком-то смысле идет вразнос; например, активные сверхмассивные черные дыры могут производить мегамазеры.

Когда пришли данные с первой ночи исследования, рассчитанного на 3000 часов, Гловацки и команда обнаружили сигнатуру очень специфического типа мегамазеров, ярких в длинах волн, усиленных стимулированными молекулами гидроксила, состоящими из одного атома водорода и одного атома кислорода.

Гидроксильные мегамазеры имеют известный механизм производства. Они испускаются галактиками, которые находятся в процессе столкновения с другой галактикой или недавно столкнулись с ней, в результате чего происходит бурное звездообразование. Гравитационное взаимодействие при таком массивном столкновении сжимает звездообразующий газ, заставляя его с огромной скоростью распадаться на звезды.

Источником мегамазера, обнаруженного Гловацки и его коллегами, является как раз такая галактика под названием WISEA J033046.26-275518.3 – теперь известная как Nkalakatha.

"Когда сталкиваются две галактики, такие как Млечный Путь и галактика Андромеды, от столкновения исходят лучи света, которые видны на космологических расстояниях", – говорит астрофизик Джереми Дарлинг из Университета Колорадо.

"Гидроксильные мегамазеры действуют как яркие огни, которые говорят: здесь происходит столкновение галактик, которое создает новые звезды и питает массивные черные дыры".

Исследование MeerKAT не предназначено для поиска мегамазеров. Оно называется Looking at the Distant Universe with the Meerkat Array (LADUMA), и оно ищет 21-сантиметровую волну, излучаемую нейтральным водородом в ранней Вселенной, растянутым (redshifted) в результате расширения Вселенной.

Длина волны гидроксильного мегамазера, однако, составляет 18 сантиметров; когда она пересвечена, она еще длиннее, и этот пересвеченный сигнал находится в пределах диапазона, обнаруживаемого телескопом.

Поскольку этот участок неба уже активно наблюдался в других диапазонах длин волн, отследить сигнал до галактики-хозяина было довольно просто. Nkalakatha ярка в инфракрасном диапазоне и имеет длинный хвост с одной стороны, который ярко светится в радиодиапазоне, вероятно, в результате гравитационного взаимодействия между двумя слившимися галактиками.

Команда уже запланировала последующие наблюдения за этим удивительным объектом и ожидает найти еще много мегамазеров по мере продолжения исследования.

"MeerKAT, вероятно, удвоит известное число этих редких явлений", – сказал Дарлинг. "В прошлом считалось, что галактики сливаются чаще, и недавно обнаруженные гидроксильные мегамазеры позволят нам проверить эту гипотезу".

Ученые создали наиболее полную и удобную онлайн-базу данных о космических источниках микроволнового излучения (водяных мазерах). С помощью этой базы исследователи по всему миру смогут определять и изучать наиболее перспективные объекты нашей галактики, а также обнаруживать новые закономерности развития областей звездообразования.

Мазеры – источники микроволнового излучения, намного более мощного, чем от звезд. Поэтому, ориентируясь на мазеры, ученые могут исследовать отдаленные участки космоса. Например, излучение мазеров в линии водяного пара указывает на активные процессы звездообразования. Кроме того, излучение таких мазеров обнаруживается в дисках проэволюционировавших звезд, а также во внешних галактиках.

Водяные мазеры образуются в ударных волнах при высоких значениях температуры и плотности газа и могут быть связаны как с массивными, так и с маломассивными объектами. Водяные мазеры в областях звездообразования – наиболее распространенный вид водяных мазеров. Из 2600 водяных мазеров, известных науке, около 1600 принадлежат к этому виду водяных мазеров.

По оценкам ученых Коуровской астрономической обсерватории, в галактике Млечный Путь около 3000 областей звездообразования с высокой вероятностью обнаружения водяного мазера. Таким образом, в будущем возможно обнаружение в областях звездообразования примерно 1400 объектов с мазерным излучением в линии водяного пара.

Лидером по количеству известных мазерных объектов является группа гидроксильных мазеров (порядка 3000). Общее количество галактических мазерных источников разных типов, известных на данный момент, – около 8000. «Наша база данных о водяных мазерах в галактике наиболее содержательна. Она охватывает данные о 95 процентах всех наблюдений водяных мазеров в областях звездообразования, опубликованные с 1989 года, и почти 100 процентов источников.

База постоянно пополняется и вскоре сосредоточит в себе весь объем информации о водяных мазерах в областях звездообразования. В базе приведены полные наблюдательные характеристики мазеров: положение, лучевая скорость, интенсивность излучения и прочие», – рассказывает руководитель проекта, старший научный сотрудник Коуровской астрономической обсерватории УрФУ Дмитрий Ладейщиков.

Мазеры в областях звездообразования (в основном трех типов: водяные, метанольные и гидроксильные) – явление, часто встречающееся в нашей галактике, причем переменное: их излучение то ярче, то слабее. Поэтому исследовать мазеры нужно в том числе с помощью данных об их прежнем состоянии.

В качестве исходного материала разработчики использовали данные из более чем 140 статей, откуда извлекли не только числовые сведения, но и изображения (спектры) и текстовые описания мазерных источников. В итоге выделили несколько категорий: общие исследования мазеров, исследования их переменности, исследования мазерных вспышек и так далее. Кроме того, в базе есть данные об инфракрасном, миллиметровом и других диапазонах длин волн. Это особенно важно для всестороннего исследования мазерных источников.

«База открывает возможности оперативного и удобного доступа почти ко всему корпусу архивов наблюдений. Раньше исследователям мазеров приходилось самостоятельно отыскивать и анализировать большое количество разнородных данных, рассредоточенных по разным статьям. Теперь всесторонняя информация систематизирована, процесс ее поиска занимает несколько секунд. Это позволяет гораздо быстрее анализировать данные и делать выводы из них», – подчеркивает Дмитрий Ладейщиков.

Так, опираясь на ранее созданную базу данных о метанольных мазерах и сопоставляя их с водяными, ученые Коуровской астрономической обсерватории УрФУ подтвердили, что водяные мазеры – одни из наиболее ранних индикаторов процессов звездообразования.

База данных – часть большого проекта, цель которого – аккумулировать исчерпывающие данные о наблюдаемых мазерах всех типов. Предыдущая работа астрономов УрФУ посвящена созданию аналогичной базы данных о мазерах метанола, а также о мазерах в околозвездных источниках.

В планах ученых – создать базу по мазерам гидроксила. По словам Дмитрия Ладейщикова, статистический анализ информации, собираемой в том числе методами машинного обучения, позволит предсказывать расположение ранее неизвестных мазеров и эффективно планировать будущие наблюдения.