МОЛЕКУЛЫ, ОБНАРУЖЕННЫЕ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ РАДИОМЕТОДАМИ

В радиочастотах дециметрового и сантиметрового диапазонов были обнаружены по излучению и поглощению в межзвездном пространстве молекулы разной сложности — от двухатомного гидроксила ОН до цианодиацетилена с молекулярной массой 75. Всего установлено таким путем 37 межзвездных молекул. Еще одна — самая распространенная — молекула водорода обнаруживается пока только по поглощению в оптическом диапазоне. В большинстве случаев наблюдаемые спектральные линии соответствуют переходам между вращательными уровнями.

Особенно интересно поведение линий гидроксила. Первоначально они были обнаружены в виде абсорбций на фоне удаленных источников непрерывного излучения , а затем и в эмиссии. Иногда эти линии по их доплеровскому смещению соответствуют линиям водорода в том же месте неба, иногда соответствия нет, т. е. нет обязательного сосуществования водорода и гидроксила.

Но гидроксильные источники часто располагаются на периферии газовых туманностей, в которых водород находится в ионизованном состоянии.

Особенностью излучающих источников гидроксила является то, что линии излучения ОН, как правило, очень узки (линии поглощения бывают и широкие), свидетельствуя о низкой температуре газа (малый разброс молекулярных скоростей) и о малых размерах излучающих областей, что получило полное подтверждение при измерении угловых размеров областей излучения ОН на интеферометрах со сверхдлинной базой — их диаметры оказываются порядка 10-кратных размеров Солнечной системы. Недавно было установлено, что один яркий источник ОН совпадает с переменной звездой , которая при ближайшем рассмотрении оказалась размытой системой звезд , где главную роль занимают два необычных сверхгиганта класса М. Другой источник совпал с инфракрасным точечным объектом в туманности Ориона.

Отношение числа молекул гидроксила к числу атомов HI около . Однако в направлении на центр Галактики доля ОН несколько выше. В области около видимого центра Галактики оптическая толща гидроксила может достигать 1.

Излучение других молекул, названных выше, не отличается особенностями, за исключением аномально высокой температуры, если ее рассчитывать по интенсивности молекулярного излучения. В отдельных случаях температура излучения или достигает 300— 400 К и даже выше. Особенно мощным источником является источник по каталогу Вестерхаута , в котором излучение на см создает антенную температуру 55 К. Вообще говоря, облака аммиака и воды не совпадают, а формальдегид с водой сосуществует. Формальдегид открыт не на пределе обнаружения — он найден в 15 из 23 обследованных источников, а цианоацетилен, так же как и цианодиацетилен, обнаружен лишь в межзвездном облаке Стрелец В (Sgr В), так же как в молекулярном облаке в Тельце богатом углеродными соединениями . В других облаках открыты многочисленные соединения с серой: . Очень распространена молекула СО. Она возбуждается столкновениями с молекулой водорода и, таким образом, является индикатором его существования, вообще говоря, трудно обнаруживаемого в молекулярной форме. Кроме того, везде, где есть СО (сильный охладитель), наблюдается атомный углерод С в субмиллиметровой линии мм. Вместе с линией 21,2 см от Н, 2,6 мм от СО она прослеживает распространенность едва ли не самых важных элементов в межзвездном пространстве.

Яркостная температура источников ОН также оказывается очень высокой в противоположность тому, что показывает малая ширина линии. И хотя, кроме того, свет в них поляризован, иногда в сильнейшей степени, линейно и круговым образом, приписывать свечению гидроксила нетепловую природу было бы ошибочным.

Самое примечательное в его излучении — это полное нарушение соотношения между интенсивностью его линий; оно не такое, какое должно быть при термодинамическом равновесии, если исходить из энергии иходных уровней возбуждения. Равновесное отношение интенсивностей четырех приведенных выше линий таково: 1 : 5 : 9 : 1. Но уже в одном из первых эмиссионных источников W 49 линия 1665 МГц оказалась значительно ярче линии 1667 МГц. А самые тщательные поиски излучения и поглощения на частоте 1667 МГц в туманности Ориона оказались безрезультатными, тогда как эмиссия на частоге 1665 МГц в фэрме очень узких линий была совершенно достоверной. Иногда излучение в линии 1612 МГц оказывается самым сильным.

Наблюдения гидроксильного излучения с большой разрешающей силой показали, что источники его часто располагаются группами, в каждой из которых имеет несколько малых центров, излучающих, самостоятельно и обладающих самостоятельным движением. Тем более непонятно, почему, например, у всех малых источников данной группы линия 1665 МГц есть в излучении, а линия 1667 МГц отсутствует совсем, а в другом случае линия сателлит 1612 МГц преобладает над всеми другими?

Излучение молекулы обладает не менее странными особенностями, среди которых быстрая переменность строения излучаемой линии, когда спектральный разрез ее существенно изменяется за немного дней.

Интерферометрия со сверхдлинной базой показала, что область, дающая подобное излучение, состоит из нескольких, иногда многих отдельных излучающих центров, имеющих угловые размеры порядка 0,001, чему соответствуют линейные размеры приблизительно в 10—100 астрономических единиц. Если отнести наблюдаемый поток излучения к объектам подобных размеров и считать, что оно представляет излучение абсолютно черного тела в данном очень узком спектральном интервале, то температура (яркостная) излучателя окажется порядка , что указывает на резкое нарушение в нем термодинамического равновесия. К тому же выводу склоняет нередко наблюдаемая полная поляризация излучения — линейная или круговая.

Истинная причина аномалий — в мазерном эффекте. Известный: в физике и широко применяемый в технике в конструкции мазеров к лазеров эффект этот проявляет себя и в космических масштабах. В данном случае происходит перенаселение того или иного энергетического уровня в молекулах, стимулирующее излучение на нижестоящий уровень в масштабах, значительно превосходящих нормальное излучение. Механизм «накачки» молекул, приводящих к такому перенаселению, может быть разный в лаборатории и в космосе. Это или результат взаимных столкновений частиц в газе, или возбуждения уровней окружающим фоновым излучением. Стимулированное излучение экспоненциально усиливается при распространении излучения через среду.

Источником «накачки» мазера могут служить ультрафиолетовые кванты. На такое возбуждение тратится в сотни раз больше, чем на излучение, поскольку последнее состоит из потока немощных радиочастотных квантов. Постоянным ресурсом этого возбуждения служат горячие звезды классов О, В, излучающие в ультрафиолетовой области особенно щедро. Впрочем, если принять во внимание магнитные поля, усиливающиеся при сгущении межзвездной плазмы, то, может быть, и инфракрасных квантов окажется достаточно для мазерной «накачки». Существование больших магнитных полей проявляется в сильной поляризации мазерного излучения молекул воды и гидроксила. Кроме этих двух молекул по мазерному излучению обнаружены молекулы НСО, SiO и , последняя — только в одном источнике — в туманности Ориона. Излучение других межзвездных молекул лишено мазерного эффекта.

Особо стоит вопрос об обнаружении межзвездного молекулярного водорода , в существовании которого нельзя сомневаться. Радиометоды здесь непригодны. Молекула не имеет постоянного дипольного момента и поэтому не дает вращательного спектра, который удобно наблюдается в радиодиапазоне. Электрические переходы, наоборот, наблюдаются в ультрафиолетовой области, но в форме линий поглощения и лишь в разреженных близких скоплениях газа из-за сильного поглощения в нем. Но в последние годы в некоторых газовых облаках были обнаружены эмиссионные линии в инфракрасном диапазоне (например, на волне 2,122 мкм). Они принадлежат вращательно-колебательным переходам и возбуждаются ударными волнами. При такой многозначности все же были найдены средства для косвенной количественной оценки присутствия молекул На в межзвездном пространстве.

Это достигается при наличии радиоизлучения окиси углерода СО с его двумя изотопами . В миллиметровом диапазоне они наблюдаются легко, причем часто бывает перенасыщен в молекулярных облаках, тогда как этим не страдает. Эти излучения возбуждаются ударами молекул На, так что интенсивность излучения СО определяется обилием водородных молекул. Другой параметр — возбуждающая температура предполагается равной 10—20 К, и тогда для не слишком плотных скоплений газа получается ; это приводит к заключению, что молекулярного водорода в Галактике столько же или меньше, чем атомного, а именно . К такой же оценке приводит совсем другой способ — определение фонового излучения из космического пространства, которое предположительно возникает от рассеяния космических лучей на молекулах газа. Эти методы отказывают вблизи ядра Галактики — на расстоянии 1—2 кпк. В противоположность атомарному водороду молекулярный водород наиболее плотный на расстоянии от центра Галактики около 5 кпк. Как сказано выше, успехи инфракрасной техники делают возможным наблюдать эмиссионную линию мкм.