Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Существенной особенностью компактных источников «аномального» излучения в линиях Н₂О является их переменность. За какие-нибудь несколько недель или даже дней меняются интенсивности отдельных «пиков» профиля, их ширины, поляризация и даже лучевые скорости «пиков». В отдельных случаях эти вариации проходят за гораздо более короткое время, например, за 5 минут. Уже из одного этого факта при некоторых простых предположениях следует вывод, что линейные размеры источников должны быть малы. Вряд ли они превосходят расстояние, которое свет проходит за время вариаций. Например, если последнее равно пяти минутам, верхняя граница размеров источников должна быть

10¹³ см, что почти равно расстоянию от Земли до Солнца. Заметим в этой связи, что у ряда источников ОН также наблюдается переменность излучения, но она происходит значительно медленнее, чем у источников Н₂О. Хотя координаты компактных источников Н₂О в пределах секунды

дуги совпадают с координатами компактных источников ОН, профили радиолиний 1,35 см и 18 см, как правило, не показывают детального совпадения отдельных «пиков». Так как тонкая структура источников Н₂О имеет такой же вид, что и у источников ОН (т. е. очень маленькие конденсации, каждая из которых излучает отдельный спектральный пик, разбросанные по области размером в несколько секунд дуги), можно сделать вывод, что в одной и той же области порядка нескольких сотых парсека движутся как «облака», излучающие только линии Н₂О, так и облака, излучающие только ОН. В отличие от линии ОН, линии Н₂О неполяризованы.

Что же это за механизм излучения, который сочетает в себе, казалось бы, несочетаемые характеристики: необычно высокую яркостную температуру с низкой кинетической? Астрономам не пришлось такой механизм придумывать, К тому времени, когда были открыты линии «мистериума», физики уже свыше 10 лет пользовались квантовыми генераторами «когерентного» излучения — мазерами (в радиодиапазоне) и лазерами (в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах). Совершенно естественно, что довольно скоро после открытия удивительных ярких линий ОН было понято, что источники этих линий суть не что иное, как естественные космические мазеры. Основной особенностью всякого мазера является отсутствие в нем теплового равновесия между излучающими атомами (молекулами) и окружающей средой. Напомним, как работает обычный мазер. Для этого следует вспомнить основы теории излучения, заложенные Эйнштейном еще в 1915 г. Мы ограничим наше рассмотрение только излучением в отдельных спектральных линиях (хотя это вовсе не обязательно). Такое излучение возникает при переходах между «верхним» и «нижним» уровнями всякой атомной системы. Величайшая заслуга Эйнштейна состоит в том, что он показал, что существуют два типа таких переходов. Первый тип — это так называемые «спонтанные» или «самопроизвольные» переходы, когда атом без всякой внешней причины, так сказать, «сам по себе», переходит из более возбужденного состояния в менее возбужденное, излучая при этом квант. Это явление просто означает, что возбужденные состояния атомных систем нестабильны. Стабильным состоянием (т. е. таким состоянием, в котором атомная система может пребывать сколь угодно долго) может быть только «основное», «самое глубокое» состояние. Об этом подробно уже шла речь в § 2.

Однако находящийся на возбужденном («верхнем») уровне атом может совершить переход «вниз» не только спонтанно, но и под влиянием взаимодействующих с ним квантов поля излучения, в котором атомная система находится. Эти кванты должны иметь ту же энергию, что и кванты, излучаемые атомной системой при соответствующем переходе. Такой тип переходов называется «вынужденным» или «индуцированным». Существенно, что «индуцированный» квант распространяется в том же направлении, что и «индуцирующий». Обозначим концентрацию частиц на верхнем уровне через n₂, а на нижнем n₁. Тогда число сопровождающихся излучением квантов переходов в единице объема за единицу времени запишется так:

(4.1)

где A₂₁ — вероятность спонтанных переходов, u₂₁ — плотность излучения на частоте рассматриваемой спектральной линии, B₂₁ =

A₂₁, где h — постоянная Планка, c — скорость света,

₁₂ — частота линии.

Величины A₂₁ и B₂₁ называются «эйнштейновскими коэффициентами».

С другой стороны, атомы (молекулы), находящиеся на «нижнем» уровне будут поглощать кванты той же частоты и переходить на верхний уровень. Число таких переходов в единице объема за единицу времени будет равно

(4.2)

где B₁₂ = B₂₁ (с точностью до некоторого множителя, который мы для упрощения выкладок будем считать равным единице). Процесс (4.2) описывает поглощение излучения при его прохождении через вещество. Если бы не было процессов излучения, описываемых формулой (4.1), то интенсивность излучения I

после прохождения им слоя газа толщиною l уменьшилась бы по закону

(4.3)

где I

 — интенсивность до прохождения слоя газа, а величина

, пропорциональная эйнштейновскому коэффициенту B₁₂, называется коэффициентом поглощения. Учет индуцированных переходов, очевидно, уменьшает коэффициент поглощения, ибо переходы приводят к появлению новых квантов, распространяющихся в том же направлении, что и падающие на вещество. В результате этого коэффициент поглощения изменяется:

(4.4)

При тепловом равновесии отношение n₂/n₁ описывается известной формулой Больцмана

(4.5)

Как видим, при любой температуре это отношение всегда меньше единицы. В этом случае учет индуцированных переходов приводит лишь к уменьшению коэффициента поглощения. Этот эффект особенно силен на низких частотах радиодиапазона. Например, из-за индуцированных переходов коэффициент поглощения межзвездного водорода для линии 21 см уменьшается в сотни раз!

Однако при отсутствии теплового равновесия между излучением и средой может возникнуть такая ситуация, при которой n₂> n₁. В этом случае коэффициент поглощения становится отрицательным (см. формулу (4.4)). Тогда наступает удивительное явление: излучение, проходя через среду, вместо того, чтобы уменьшать свою интенсивность (как это всегда наблюдается в житейской практике), становится более интенсивным. Это можно понять как «лавинообразное» увеличение числа фотонов по мере их прохождения через такую среду: число индуцированных квантов стремительно нарастает и этот процесс «перекрывает» неизбежные процессы поглощения. Среда, обладающая такими необычными свойствами, называется «активированной». Формально, на основании формулы Больцмана, мы можем такой среде приписать отрицательную температуру.

«Сама по себе», т. е. по причине только «равновесных», тепловых процессов, отрицательная температура в среде никогда не возникнет. Для того чтобы это произошло, т. е. чтобы среда «активировалась», необходимо, чтобы действовали какие-то неравновесные процессы, приводящие к аномально высокому возбуждению «верхнего» уровня атомной системы. Такие процессы носят образное название «накачки». Накачка, например, может осуществиться путем облучения вещества мощным потоком монохроматического излучения, переводящим атомную систему из «нижнего» уровня на некоторый третий уровень, более высокий, чем второй. Частота такого излучения, конечно, больше, чем

₁₂. При переходах атомной системы с третьего уровня «вниз» может реализоваться избыточная «населенность» второго уровня. Такая накачка искусственно переводит атомную систему с «первого» уровня на «второй», тем самым создавая в ней «отрицательную» температуру. Излишне говорить, что как только накачка прекратит свое действие, все «станет на свое место», температура будет положительной и никакого усиления излучения на частоте

₁₂ не будет. Описанный прием «активации» среды очень часто применяется в практике работы с лабораторными мазерами и лазерами, однако он не является единственно возможным. Например, все большее значение приобретает так называемая «химическая» накачка. Суть ее состоит в том, что при разного рода химических процессах между атомами и молекулами могут образовываться частицы «рабочего вещества» (т. е. молекул или атомов, которые осуществляют мазерное усиление спектральной линии) преимущественно во втором (т. е. возбужденном) состоянии.

Мазерное излучение в высокой степени когерентно, так как между индуцирующими и индуцируемыми квантами существуют правильные фазовые отношения. Оно может обеспечить почти стопроцентную поляризацию, если «активированная» среда усиливает только излучение определенного вида поляризации. Мазерное излучение может обладать весьма острой направленностью, недостижимой ни в каких прожекторных устройствах. Это достигается тем, что можно усиливать только излучение, идущее в строго определенном направлении. С другой стороны, в принципе, можно изготовить почти «изотропные» мазеры.