Российский космический телескоп разглядел "природный лазер" с рекордной детализацией

Орбитальный радиотелескоп работает в связке с наземными инструментами.

Иллюстрация Роскосмоса.

Радиоисточник Цефей А представляет собой область звездообразования.

Иллюстрация АКЦ ФИАН.

Российская космическая обсерватория "Радиоастрон" совместно с наземными радиотелескопами из нескольких стран разглядела рекордно тонкие детали в космическом мазере, удалённом от Земли на две тысячи световых лет. Обнаружены структуры размером с Солнце. Результаты исследования опубликованы в издании The Astrophysical Journal.

Напомним, что мазер – это аналог лазера, только излучающий не видимый свет, а радиоволны. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, с какими трудностями сталкиваются учёные, изготовляющие такие устройства в лабораториях.

Как это ни удивительно, в космосе существуют природные мазеры. Они "обитают", например, в так называемых областях звездообразования, где межзвёздный газ уплотняется под действием собственной гравитации, чтобы в будущем вспыхнуть новыми светилами. Также мазеры встречаются в протопланетных дисках, остатках сверхновых и в окрестностях сверхмассивных чёрных дыр.

Мазерное излучение возникает там, где число молекул или атомов, находящихся на верхнем уровне энергии, превосходит количество, находящихся на нижнем. Это довольно экзотическая ситуация, ведь "природа экономит энергию", и обычно система занимает самый низкий энергетический уровень из возможных. Когда молекула или атом возвращается к низкому уровню, излучается фотон, уносящий избыточную энергию. Поток этих фотонов и есть мазерное излучение.

Космические излучатели различаются тем, молекулы какого вещества участвуют в процессе. Самое сильное излучение наблюдается в линиях воды (H2O), гидроксила (OH), метанола (CH3OH) и оксида кремния (SiO).

Международная команда "Радиоастрона" исследовала область активного звездообразования Цефей A, находящуюся на расстоянии около 2 тысяч световых лет от Земли. Наблюдения велись на частоте 22 гигагерца, то есть в линии излучения водных мазеров.

Более тридцати лет назад в этой области было обнаружено 16 компактных источников радиоизлучения. Большинство из них, скорее всего, представляют собой новорождённые звезды спектрального класса О или в "коконе" из родительских газопылевых облаков. Со многими из этих объектов также связано излучение мазеров на основе воды и гидроксила, а в одном из них, имеющем обозначение HW2, ранее был обнаружен метаноловый мазер.

Радиоисточник Цефей А представляет собой область звездообразования.
Радиоисточник Цефей А представляет собой область звездообразования.
Иллюстрация АКЦ ФИАН.

В ноябре 2012 года область звездообразования Цефей А была исследована "Радиоастроном" совместно с тремя наземными радиотелескопами, расположенными в России, Италии и Испании.

Поясним, что "Радиоастрон" представляет собой радиотелескоп-интерферометр, о принципе работы которых мы подробно рассказывали. В двух дело вот в чём. Система из двух телескопов, расположенных в точках А и Б, имеет такую же разрешающую способность (способность разглядеть мелкие детали), как единый телескоп с диаметром зеркала, равным расстоянию от А до Б. Для "Радиоастрона" это 300 тысяч километров в самой удалённой точке орбиты, и этот факт делает его самым большим научным инструментом в истории.

В результате удалось обнаружить три очень компактные мазерные детали. Одна из них 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.

"Мы обнаружили самую маленькую структуру, когда-либо наблюдавшуюся в галактических мазерах, и это ещё раз показывает, какими возможностями обладает наш радиоинтерферометр. Мы смогли различить объекты размером с диаметр солнечного диска на расстоянии в 700 парсек, угловые размеры которых в три тысячи раз меньше, чем мог различить знаменитый космический телескоп "Хаббл", — говорит соавтор исследования Алексей Алакоз из Астрокосмического центра ФИАН.

Учёные рассмотрели возможную природу обнаруженных деталей. По одной из наиболее вероятных версий, поток газа от 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 образуются вихри. Ближайшую к препятствию пару вихрей и наблюдал "Радиоастрон".

"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 наблюдений Андрей Соболев из Уральского федерального университета, первый автор статьи.

Добавим, что мазеры интересуют астрономов не только сами по себе, но и как инструмент изучения среды, в которой они находятся. Это довольно удобные "маяки". Они очень яркие: во время вспышки плотность потока может достигать тысяч янских, а ведь в радиоастрономии источник в десять янских уже считается сильным. Кроме того, они компактные: угловые размеры составляют несколько миллисекунд дуги и меньше. Вдобавок у них узкие спектральные линии. Наконец, мазерное излучение не поглощается космической пылью.

Столь замечательные параметры делают мазеры удобными объектами наблюдения, благодаря которым, например, можно отслеживать движение областей звездообразования по всей Галактике.

Напомним, что ранее "Радиоастрон" в числе прочих замечательных результатов показал активное ядро галактики всё с той же рекордной детализацией.