脉泽研究及其应用

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1、第20卷第2期2008年6月湖南文理学院学报（自然科学版）JournalofHunanUniversityofArtsandScience(NaturalScienceEdition)Vol.20No.2Jun.2008文章编号：1672-6146(2008)02-0037-04脉泽研究及其应用郭仟,张江水(广州大学天体物理中心,广东广州,510006)态，当辐射在介质中传播时一般会被吸收而衰减.假定不考虑介质本身的辐射，随着辐射在该介质中的传播，比强度Iν(描述辐射强度量，单位为W·cm−2·Hz−1·sr−1，ν为频率)随传播距离L变化可以摘要:探讨了脉

2、泽(Maser:Microwaveamplificationbystimulatedemissionofradiation)的产生机理，根据它产生区域和形成机制的不同，对脉泽进行了分类.给出了如何利用观测资料来确定脉泽寄主星系的距离和中央黑洞质量的方法，并以经典盘脉泽源NGC4258为例进行了计算，得到星系距离D=7.2±0.5Mpc和中央黑洞质量M=(3.9±0.3)×近似表示为：I=I0exp(−αL),I表示初始入射强ν0ννν度，αν为介质的吸收系数.假定处于上下能级粒子107M.hν数的统计权重相等，αν可以写为：αν=φ(ν)⋅4πBlu(nl−

3、nu).关键词：脉泽；受激发射；天文环境中图分类号：P152文献标识码：Au和l分别表示上、下能级，n表示能级分子数密度(单位：cm−3)，hν为两能级间跃迁的能量，Blu为爱因斯坦受激辐射跃迁概率，φ(ν)为谱线的轮廓函数.在热动平衡下，能级布居数符合玻耳兹曼分布，粒子倾向于更多地分布在低能级，因此有：nu/nl=exp(−hν/kT)<1,T为介质的温度，此时αν>0，表示辐射在通过介质时被吸收.在与地球条件不同的天文环境下，气体密度极低，小于碰撞解激发所需要的临界密度，使得分子能级布居偏离热动平衡，在能量源或激发源的作用下，可能出现能级粒子数布居的反转

4、，即nu>nl，上能级分布的粒子数大于下能级的粒子数，这样吸收系数αν<0，意味着辐射在通过介质时被放大而不是减弱，并且由于天文尺度足够大，辐射通过的路径很长(L，从天文单位到秒差距尺度量级)，辐射放大因子，即脉泽增益exp(−ανL)可以达到很大，从而产生可被我们检测到的强脉泽辐射.2脉泽分类与检测根据产生区域的不同，将脉泽分为银河系内脉泽和河外星系脉泽.2.1银河系内脉泽在银河系，脉泽主要与恒星早期的形成和晚期的演化密切相关，因此可分为星际脉泽(interstellarmaser)和拱星包层脉泽(或恒星脉泽).星际脉泽：在恒星形成区域，新形成或正在形成的

5、恒星通过辐射、星风等与其邻近的高密度的星在微波领域，包括厘米和毫米/亚毫米波段，天体的辐射有时被受激放大，产生特别强的辐射，即辐射的受激发射在微波领域的放大(MicrowaveAm-plificationbyStimulatedEmissionofRadiation)，称为“脉泽”(Maser)，类似于我们熟悉的激光(Laser)，即辐射的受激发射在可见光波段的放大(LightAmpli-ficationbyStimulatedEmissionofRadiation).最早检测到天体脉泽辐射是在1965年.Weaver等人[1]在银河系的分子云复合体W3中意

6、外发现OH(羟基)分子的四条发射谱线(波长∼18cm)，在1665MHz的谱线强度异常地大，且具有高的偏振特性，同时发现这四条谱线的强度比明显不符合热动平衡下的比值，当时把它称为“mysterium”，后来LitVak等人[2]用微波受激发射理论给出了很好地解释，这就是被证认的第一个天体脉泽.此后在越来越多的天体中检测到不同分子的脉泽辐射，包括OH、H2O、CH3OH、SiO、NH3、CH、HCN、H2CO等分子.脉泽辐射是天文环境下发生的特有现象，脉泽为我们提供了一个极好的天体物理实验室，通过对脉泽源的观测，研究产生脉泽这类特殊现象所需要的特殊天文环境.观

7、测结果显示脉泽辐射具有辐射强、成团、强偏振、时变等特性，已经成为研究小尺度的天文物理环境和动力学的极好工具.1脉泽产生机理在地球条件下，气体介质通常处于热动平衡状际介质相互作用，造成分子能级粒子数布居反转而产生脉泽辐射.主要检测到：λ=1.35cm的H2O脉泽(而其它能级间的跃迁绝大多数位于亚毫米和远红外波段[3-4]，由于地球大气层的吸收作用，被检测到的很少)；18cm(1665MHz和1667MHz)的OH脉泽和CH3OH脉泽(基于不同跃迁分为I-型和II-型).拱星包层脉泽：在恒星演化的晚期阶段，恒星不断抛出大量的气体和尘埃，产生拱星包层，其中的物理条

8、件适合产生脉泽辐射，称为拱星包层脉泽或恒星脉泽[5]