SETI: Поиск Внеземного Разума - Лев Миронович Гиндилис Страница 18

Как работает мазер? Рассмотрим два соседних энергетических уровня молекулы E1 и E2. При поглощении кванта электромагнитного излучения определенной частоты (hν = E2 — E1) молекула переходит из нижнего состояния E1 в верхнее состояние E2 .Через некоторое время она вновь возвращается в нижнее состояние и при этом излучает квант той же частоты ν. Переход с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить спонтанно (самопроизвольно) или под действием кванта, с частотой, соответствующей данному переходу E2— E1. Последний процесс называется вынужденным или индуцированным излучением. Важной особенностью индуцированного излучения является то, что «индуцированный» квант имеет точно такую же частоту и фазу, как и «индуцирующий», и летит в том же направлении.

В обычных условиях, близких к термодинамическому равновесию, число молекул в нижнем состоянии гораздо больше, чем в верхнем. Поэтому квант, влетевший в облако газа, имеет гораздо больше шансов поглотиться, чем вызвать вынужденный переход с верхнего энергетического уровня на нижний. В результате излучение на частоте молекулярного перехода поглощается в облаке газа, а роль вынужденного излучения сводится к тому, что оно несколько ослабляет величину полного поглощения. Так происходит в обычных условиях. Иное дело, когда число молекул на верхнем энергетическом уровне много больше, чем на нижнем. Тогда любой квант, влетевший в облако газа (или излученный при спонтанном переходе молекулой самого этого облака), вместо того, чтобы поглотиться при переходе с нижнего состояния в верхнее, вызывает вынужденный переход одной из молекул в нижнее энергетическое состояние. При этом излучается квант той же частоты, летящий в том же направлении. Он, в свою очередь, с преобладающей вероятностью, вызывает вынужденное излучение другой молекулы и т. д. Возникает нарастающий лавинообразный процесс. Причем все кванты имеют строго определенную частоту и летят в одном направлении — направлении первого «индуцирующего» кванта. Это и есть мазерный эффект. Необходимым условием его осуществления является инверсная населенность уровней, т. е. преобладание числа молекул на верхнем энергетическом уровне по сравнению с нижним. Механизм, с помощью которого постоянно поддерживается инверсная заселенность, называется накачкой мазера. Схема накачки для космического мазера приведена на рис. 1.8.2.

Рис. 1.8.2. Схема накачки космического мазера.Внешнее излучение (в оптической области спектра) или столкновения молекул переводят молекулы с нижних энергетических уровней 1 и 2 на верхний уровень 3. С уровня 3 молекулы самопроизвольно переходят на уровни 1 и 2. Если вероятность перехода 3 → 2 выше, чем 3 → 1, то на уровне 2 может накопиться больше молекул, чем на уровне 1. Возникает инверсная населенность уровней, которая является причиной мазерного радиоизлучения 2 → 1

Все особенности эмиссионных линий ОН, которые поначалу так удивили исследователей, удалось объяснить с помощью мазерного механизма. В дальнейшем было обнаружено мазерное излучение других молекул в межзвездной среде: молекулы воды Н2О на частоте 22,2 ГГц (длина волны 1,35 см), молекулы метилового спирта СН3ОН на волне 1,2 см и кремния SiO в миллиметровом диапазоне спектра.

Гипотеза искусственного происхождения эмиссионных линий ОН продержалась недолго. Но значение их для проблемы SETI, по-прежнему, велико. Прежде всего, как было установлено, источники мазерного излучения ОН являются областями, где происходит процесс звездообразования. По этому поводу И. С. Шкловский, который впервые выдвинул эту гипотезу, образно заметил: «...новорожденная звезда оповещает о своем рождении всю Галактику, пользуясь новейшей техникой квантовой радиофизики...». Далее, если в определенной области межзвездной среды реализуются условия для действия космического мазера, то он будет усиливать не только естественное излучение данной частоты, но и искусственный сигнал на частоте мазера, проходящий через мазерное облако. Эта идея была использована при поиске радиосигналов ВЦ. Наконец, частота радиолиний гидроксила (так же, как и линии водорода 21 см) относится к числу так называемых «магических» частот, на которых ведется поиск радиосигналов. А интервал частот между линией водорода 1420 МГц и самой низкочастотной линией гидроксила 1612 МГц (так называемая «водяная дыра» или «водяная щель») рассматривается как область, отведенная космическими цивилизациями для межзвездной связи.

Еще более драматическая история произошла в связи с открытием пульсаров. Это случилось в 1967 г., когда загадка «мистериума» уже была решена. По мнению И. С. Шкловского, открытие пульсаров можно отнести к числу самых выдающихся открытий XX века. Как и всякое истинное открытие, оно было сделано совершенно случайно.

В июле 1967 г. на Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета (Англия) вступил в строй новый радиотелескоп метрового диапазона волн. Его антенна состоит из 2048 диполей, расположенных в 16 радов по 128 диполей в каждом в направлении восток-запад, образуя прямоугольник размером 470 × 45 м. Телескоп предназначался для исследования радиоисточников методом мерцаний. Мерцания возникают при рассеянии радиоволн на неоднородностях межзвездной среды и позволяют оценить некоторые параметры источника, например, его угловые размеры. Эффект аналогичен мерцанию звезд при распространении света в земной атмосфере. Работа проводилась под руководством известного радиоастронома А. Хьюиша, впоследствии удостоенного Нобелевской премии. Для регистрации быстрых изменений радиопотока (мерцаний) использовалась радиоприемная аппаратура с малой постоянной времени. Это обстоятельство оказалось решающим для обнаружения пульсаров.

Наблюдения проводились на частоте 81,5 МГц, в полосе 1 МГц, с постоянной времени 0,1 с. Почти сразу же после начала наблюдений, в августе 1967 г., был зарегистрирован довольно сильный сигнал в виде периодически повторяющихся импульсов. Длительность каждого импульса составляла 0,3 с, а период их повторения 1,337 с, т. е. промежуток времени между импульсами составлял около 1 секунды. Дальнейшие наблюдения позволили уточнить значение периода и показали, что он сохраняется постоянным с точностью до 10-7(!).

Излучение было обнаружено молодой аспиранткой Джоселин Белл, именно она обратила внимание на периодически появляющиеся импульсные сигналы. Поначалу этому не придали большого значения, так как радиоастрономы довольно часто регистрируют импульсные помехи от наземных радиолокационных станций, самолетных радаров и других технических средств, созданных людьми. По своим характеристикам принятые сигналы напоминали подобные помехи. Однако дальнейшие исследования показали, что источник импульсных сигналов занимает неизменное положение среди звезд, для земных помех это невозможно. Измерение координат источника и сравнение с имеющимися каталогами показало, что в этом месте на небе ранее никаких радиоисточников не наблюдалось. Был оценен параллакс источника, он не превышал 2 угловые минуты, следовательно, расстояние до источника больше 1 000 астрономических единиц