Российская космическая обсерватория «Радиоастрон» совместно с наземными радиотелескопами из нескольких стран смогла обнаружить экстремально компактные детали в удаленном от Земли на 2 тысячи световых лет источнике мазерного излучения в линии водяного пара на частоте 22 ГГц – двойная деталь содержит компоненты размером с наше Солнце. Результаты исследования опубликованы в The Astrophysical Journal.
«Мы обнаружили самую маленькую структуру, когда-либо наблюдавшуюся в галактических мазерах и это еще раз показывает, какими возможностями обладает наш радиоинтерферометр - мы смогли различить объекты размером с диаметр солнечного диска на расстоянии в 700 парсек, угловые размеры которых 3000 раз меньше, чем мог различить знаменитый космический телескоп «Хаббл»», – говорит один из авторов работы, Алексей Алакоз из Астрокосмического центра ФИАН.
Мазерное излучение, как и лазерное, возникает в среде с инверсной населенностью энергетических уровней (в обычной среде ситуация обратная), иначе говоря, в среде, где число молекул или атомов, находящихся на верхнем уровне энергии, превосходит число молекул или атомов, находящихся на нижнем. Когда в такую среду попадает фотон с энергией, соответствующей разности энергий между уровнями, он вызывает процесс перехода молекул на нижний уровень с излучением когерентных фотонов (являющихся почти точной копией исходных), в результате чего происходит лавинообразное усиление излучения - лазерного (если это происходит в видимом диапазоне) или мазерного (в микроволновом).
В межзвездном газе тоже могут возникать условия для генерации мазерного излучения в линиях некоторых молекул (в протозвездных и протопланетных дисках, областях звездообразования, оболочках проэволюционировавших звезд, остатках сверхновых, в окрестностях сверхмассивных черных дыр в других галактиках), при этом наиболее сильное излучение наблюдается в линиях воды (H2O), гидроксила (OH), метанола (CH3OH) и окиси кремния (SiO).
Для работы космического мазера необходим постоянный приток энергии, создающий инверсную заселенность уровней путем накачки излучением (например, от молодой звезды) и/или столкновениями с молекулами газа. Необходим также отток энергии, обеспечивающий работу циклов накачки, а также достаточно большие размеры самих облаков газа, где может генерироваться излучение.
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.
Наиболее эффективно космические мазеры работают в качестве усилителей фонового излучения, но для слабых мазеров хватает усиления собственного спонтанного излучения.
С точки зрения наблюдателя мазерные линии выглядит как обычное излучение, но яркостная температура наблюдаемого источника (рассчитанная, как если бы это было тепловое излучение абсолютно черного тела) зачастую может достигать сотен триллионов градусов, а ширина линий может быть значительно меньше нормальной для теплового излучения. При этом на самом деле излучающий газ имеет относительно низкую температуру – обычно не более нескольких сотен градусов.
Из-за их небольших угловых размеров (несколько миллисекунд дуги и меньше), очень высоких плотностей потока (до тысяч Янских) и узкой ширины линии (обычно около 0,5 километров в секунду и меньше), отсутствия поглощения пылью, мазеры позволяют исследовать кинематику и физические параметры областей звездообразования по всей Галактике и даже околоядерных областей в других галактиках.
Международная команда «Радиоастрона» исследовала область активного звездообразования «Цефей А» (по имени созвездия), находящуюся на расстоянии около 2 тысяч световых лет от Земли в линии излучения молекулы воды на частоте 22 гигагерца.
Ранее в этой области в радиодиапазоне уже было обнаружено 16 компактных источников теплового радиоизлучения – большинство из которых, скорее всего – новорожденные звезды класса О или В в "коконе" из родительских газопылевых облаков. Эти объекты были описаны в работе Hughes & Wouterloot 1984, поэтому таким объектам присвоены названия начинающиеся с HW. Со многими из этих объектов также связано излучение мазеров воды и гидроксила, а в HW2 ранее было зарегистрировано излучение метанольных мазеров, то есть источников мазерного излучения в радиолиниях метилового спирта. В ноябре 2012 года эта область звездообразования была исследована «Радиоастроном» совместно с тремя наземными радиотелескопами, расположенными в России, Италии и Испании.
В результате удалось обнаружить три очень компактных мазерных детали, не разрешаемых до конца даже на наземно-космических базах, что примерно соответствует разрешению радиотелескопа с диаметром зеркала в три с лишним раза диаметра Земли. Одна из этих деталей связана с областью HW2, где расположен массивный протопланетный диск. Две другие детали наблюдаются в окрестностях другого объекта, HW3Diii. Всего в этом объекте удалось разглядеть два сверхкомпактных ярких пятна мазерного излучения, каждое из которых имеет размеры, сопоставимые с диаметром Солнца.
По одной из наиболее вероятных версий, рассмотренных в статье, поток газа от близкой массивной молодой звезды, связанной с объектом HW3dii наталкивается на препятствие, связанное с объектом HW3Diii (вероятно, на аккреционный диск вокруг молодой звезды), в результате взаимодействия с этим препятствием в потоке газа образуется вихревая дорожка (дорожка фон Кармана), а наблюдавшиеся на «Радиоастроне» объекты представляют собой ближайшую к препятствию пару вихрей (пару турбулентных ячеек), где уплотнившийся газ получает близкие к идеальным условия для возникновения мазерного эффекта. Другое возможное объяснение этих наблюдательных данных – мазеры в различных сгустках газа, попавших одновременно на луч зрения.
«Вероятнее всего, мы наблюдаем взаимодействие струи газа, выброшенной соседней звездой с каким-то препятствием, например аккреционным диском вокруг другой звезды. В таких струях возникают турбулентные явления, самым красивым из которых является образование дорожки вихрей (мы видим это и на спутниковых снимках земных облаков). В этих вихрях и возникают наблюдавшиеся нами сверхкомпактные мазерные детали. Различить отдельные ячейки турбулентности до сих пор не удавалось, несмотря на то, что знания об их размере необходимы для построения теории строения и эволюции космических объектов. Для проведения таких измерений потребовался «Радиоастрон» - самый большой прибор, созданный человеком», - прокомментировал результаты космического проекта первый автор статьи, Андрей Соболев из Уральского федерального университета.
