Все новости

«Радиоастрон» разглядел источники гигантских галактических мазеров

Поток газа создал в более чем двух тысячах световых лет от Земли естественные микроволновые аналоги лазеров, превосходящие размером Солнце.

Российский космический телескоп «Радиоастрон» совместно с наземными радиотелескопами позволил астрономам обнаружить вихревые дорожки в области Цефей А, генерирующие интенсивное когерентное микроволновое излучение. Оба обнаруженных космических мазера относятся к водяным, то есть излучают на той же линии, что и разогретый водяной пар. Температура излучения от вновь найденных источников достигает сотен триллионов градусов. Наблюдения «Радиоастрона» впервые позволили понять природу этого необычного явления. Соответствующая статья опубликована в The Astrophysical Journal.

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.

Авторы новой работы с помощью «Радиоастрона» исследовали область активного звездообразования Цефей, А (по имени созвездия), находящуюся в двух тысячах световых лет от Земли. В результате им удалось обнаружить три очень компактные мазерные детали. Одна из этих деталей связана с областью HW2, где расположен массивный протопланетный диск вокруг молодой звезды. Две другие детали наблюдаются в окрестностях другого объекта — HW3Diii. Всего там удалось разглядеть два сверхкомпактных ярких пятна мазерного излучения, каждое из которых имеет размеры, сопоставимые с диаметром Солнца — 1,6 миллиона километров каждый. Яркостная температура их излучения — около 200 триллионов градусов.

Причина «запуска» этих мазеров до конца неясна. Как полагают исследователи, поток газа от близкой массивной молодой звезды, связанной с объектом HW3dii, наталкивается на препятствие, связанное с объектом HW3Diii. Этим препятствием, скорее всего, является аккреционный диск вокруг молодой звезды. Он образуется, когда звезда активно притягивает своей гравитацией близкий межзвездный газ и «пожирает» его, наращивая собственную массу. Когда газ наталкивается на аккреционный диск, в нем образуется вихревая дорожка фон Кармана. Наблюдавшаяся с помощью «Радиоастрона» пара мазерных объектов — ближайшие к аккреционному диску вихри, где уплотнившийся газ получает близкие к идеальным условия для возникновения мазерного эффекта.

Работа является первой, в которой удалось различить отдельные вихри — источники галактических мазеров. До сих пор это не получалось, несмотря на то что знания об их размере необходимы для построения теории строения и эволюции космических объектов.