الميزر الفيزيائي الفلكي

على غرار الليزر ، يكون انبعاث الميزر مُحفزًا ( أو مُلقحًا ) وأحادي اللون، بتردد يُطابق فرق الطاقة بين مستويين من مستويات الطاقة الكمومية للأنواع الموجودة في وسط التضخيم، والتي تم ضخها إلى توزيع غير حراري . مع ذلك، تفتقر الميزرات الطبيعية إلى تجويف الرنين المُصمم خصيصًا للميزرات المختبرية الأرضية. وينتج انبعاث الميزر الفلكي عن مرور واحد عبر وسط التضخيم، ولذلك يفتقر عمومًا إلى التماسك المكاني ونقاء النمط المتوقع من الميزر المختبري.

كثيراً ما يُذكر ^{[ 1 ]} أن الليزرات الفلكية ليست ليزرات "حقيقية" لافتقارها إلى تجاويف التذبذب هذه. مع ذلك، فقد تجاهل مجتمع الليزر عمداً التمييز بين الليزرات القائمة على المذبذبات والليزر أحادي المرور في السنوات الأولى لهذه التقنية. ^{[ 2 ]}

أدى هذا التناقض الجوهري في اللغة إلى استخدام تعريفات أخرى متناقضة في هذا المجال. على سبيل المثال، إذا كان وسط التضخيم في ليزر غير محاذٍ عبارة عن إشعاع مُلقّح بانبعاث ولكنه غير متذبذب، يُقال إنه يُصدر انبعاثًا تلقائيًا مُضخّمًا ( ASE) . يُعتبر هذا الانبعاث التلقائي المُضخّم غير مرغوب فيه أو طفيليًا. يُضيف بعض الباحثين إلى هذا التعريف وجود تغذية راجعة غير كافية أو عدم بلوغ عتبة الليزر : أي أن المستخدمين يرغبون في أن يتصرف النظام كليزر. في الواقع، يُعد الانبعاث من الميزرات الفلكية انبعاثًا تلقائيًا مُضخّمًا، ولكنه يُطلق عليه أحيانًا اسم الانبعاث فوق الإشعاعي لتمييزه عن الظاهرة المختبرية. هذا يزيد من الارتباك، لأن كلا المصدرين فوق إشعاعي. في بعض الليزرات المختبرية، مثل مرور شعاع واحد عبر مرحلة Ti:Sapph مُضخّمة تجديديًا ، تكون الفيزياء مماثلة تمامًا لشعاع مُضخّم في ليزر فلكي.

علاوة على ذلك، تتفاوت الحدود العملية لاستخدام حرف "m" للدلالة على الموجات الميكروية في مصطلح "الميزر" . فعلى سبيل المثال، عندما طُوّرت الليزرات في البداية ضمن الجزء المرئي من الطيف، أُطلق عليها اسم "الميزرات الضوئية". ^{[ 3 ]} وقد دعا تشارلز تاونز إلى أن يرمز حرف "m" إلى "الجزيء" ، لأن حالات الطاقة في الجزيئات تُوفّر عمومًا انتقال الميزر. ^{[ 4 ]} وبناءً على ذلك، يستخدم البعض مصطلح "الليزر" لوصف أي نظام يستغل انتقالًا إلكترونيًا، ومصطلح "الميزر" لوصف نظام يستغل انتقالًا دورانيًا أو اهتزازيًا ، بغض النظر عن تردد الخرج. ويستخدم بعض علماء الفيزياء الفلكية مصطلح "الميزر الإشعاعي" لوصف ميزر يُصدر إشعاعًا بطول موجي يبلغ بضعة ميكرومترات ، ^{[ 5 ]} على الرغم من أن مجتمع البصريات يُطلق مصطلح "الليزر" على مصادر مماثلة .

يُستخدم مصطلح "الصعق الكهربائي" لوصف أجهزة الليزر المخبرية في نطاق الترددات تيراهيرتز ، ^{[ 6 ]} مع أن علماء الفلك قد يُطلقون عليها اسم " أجهزة الليزر دون المليمترية" ، ويُطلق عليها علماء الفيزياء المخبرية عمومًا اسم "ليزر الغاز" أو تحديدًا "ليزر الكحول " نسبةً إلى نوع المادة المُضخِّمة. ويُقيِّد مجتمع الهندسة الكهربائية عادةً استخدام مصطلح "الميكروويف" للترددات التي تتراوح بين 1 جيجاهرتز و300 جيجاهرتز تقريبًا؛ أي الأطوال الموجية التي تتراوح بين 30 سم و1 مليمتر، على التوالي.    

إن مجرد وجود انعكاس التوزيع السكاني المُضخّم لا يكفي لرصد الميزر. فعلى سبيل المثال، يجب أن يكون هناك تماسك في السرعة على طول خط الرؤية حتى لا يمنع انزياح دوبلر الحالات المعكوسة في أجزاء مختلفة من وسط التضخيم من الاقتران الإشعاعي. وبينما يمكن تحقيق الاستقطاب في الليزرات والميزرات المختبرية عن طريق التذبذب الانتقائي للأنماط المطلوبة، فإن الاستقطاب في الميزرات الطبيعية لا ينشأ إلا في وجود مضخة تعتمد على حالة الاستقطاب أو في وجود مجال مغناطيسي في وسط التضخيم.

قد يكون الإشعاع المنبعث من الميزرات الفلكية ضعيفًا للغاية، وقد لا يُرصد بسبب محدودية حساسية المراصد الفلكية وبعدها النسبي، وبسبب الامتصاص الطيفي الهائل أحيانًا من جزيئات الميزر غير المُضخَّمة في الفضاء المحيط. ويمكن التغلب جزئيًا على هذه العقبة الأخيرة من خلال الاستخدام الأمثل للترشيح المكاني المتأصل في تقنيات التداخل ، ولا سيما تقنية التداخل ذات الخط الأساسي الطويل جدًا (VLBI).

توفر دراسة الميزرات معلومات قيمة حول الظروف - درجة الحرارة والكثافة والمجال المغناطيسي والسرعة - في بيئات ولادة النجوم وموتها ومراكز المجرات التي تحتوي على ثقوب سوداء .مما يؤدي إلى تحسينات في النماذج النظرية الحالية.

في عام 1965، تم التوصل إلى اكتشاف غير متوقع من قبل ويفر وآخرون :خطوط انبعاث في الفضاء، ذات أصل غير معروف، بتردد 1665  ميجاهرتز. في ذلك الوقت، كان العديد من الباحثين لا يزالون يعتقدون أن الجزيئات لا يمكن أن توجد في الفضاء، على الرغم من اكتشافها من قبل ماكيلار في الأربعينيات من القرن العشرين، ولذلك نُسب الانبعاث في البداية إلى شكل افتراضي من المادة بين النجوم يُسمى "ميستيريوم"، ولكن سرعان ما تم تحديد الانبعاث على أنه انبعاث خطي من جزيئات الهيدروكسيد في مصادر مضغوطة داخل السحب الجزيئية.وتوالت الاكتشافات، بما في ذلك انبعاث المياه في عام 1969.انبعاثات الميثانول في عام 1970،وانبعاث أول أكسيد السيليكون في عام 1974،جميعها تنبعث من داخل السحب الجزيئية. وقد أُطلق عليها اسم الميزرات ، لأنه من خلال عرض خطوطها الضيقة ودرجات حرارتها الفعالة العالية، أصبح من الواضح أن هذه المصادر تعمل على تضخيم إشعاع الميكروويف.

ثم اكتُشفت الميزرات حول النجوم المتأخرة عالية التطور ، والتي سُميت بنجوم OH/IR . وكان أولها انبعاث الهيدروكسيد في عام 1968.ثم انبعاثات المياه في عام 1969وانبعاث أول أكسيد السيليكون في عام 1974.تم اكتشاف الميزرات في المجرات الخارجية عام 1973.وفي النظام الشمسي في هالات المذنبات.

تم التوصل إلى اكتشاف غير متوقع آخر في عام 1982 مع اكتشاف انبعاثات من مصدر خارج المجرة بإضاءة لا مثيل لها أكبر بحوالي 10 ⁶ مرات من أي مصدر سابق.أُطلق على هذا اسم الميغاميزر نظراً لسطوعه الشديد؛ وقد تم اكتشاف العديد من الميغاميزرات الأخرى منذ ذلك الحين. ^{[ 7 ]}

تم اكتشاف قرص ليزر ضعيف في عام 1995 ينبعث من النجم MWC 349A ، باستخدام مرصد كويبر المحمول جواً التابع لناسا . ^{[ 8 ]}

تم رصد دليل على وجود مجموعة فرعية حرارية مضادة للضخ ( dasar  ) في انتقال 4830 ميجاهرتز للفورمالديهايد (H2CO _{) في عام 1969 بواسطة بالمر} وآخرون ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

استُخدمت الروابط بين نشاط الميزر وانبعاثات الأشعة تحت الحمراء البعيدة لإجراء عمليات مسح للسماء باستخدام التلسكوبات البصرية (لأن التلسكوبات البصرية أسهل استخدامًا لهذا النوع من عمليات البحث)، ثم يتم فحص الأجسام المحتملة في طيف الراديو. وتُستهدف بشكل خاص السحب الجزيئية، ونجوم OH-IR، والمجرات النشطة في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

تم رصد الأنواع التالية في الانبعاث المحفز من البيئات الفلكية: ^{[ 13 ]}

• أوه
• CH
• H ₂ CO
• H ₂ O
• NH ₃ ، ¹⁵ NH ₃
• CH ₃ OH
• HNCNH ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• سيس
• HC ₃ N
• SiO ، ²⁹ SiO، ³⁰ SiO
• HCN ، H ¹³ CN
• H (في MWC 349 )
• CS ^{[ 16 ]}

تتشوه اختلافات المسار الطفيفة عبر سحابة الميزر غير المنتظمة الشكل بشكل كبير بفعل التضخيم الأسي. سيظهر جزء السحابة ذو المسار الأطول قليلاً من باقي أجزائها أكثر سطوعًا (لأن أس طول المسار هو المهم)، ولذلك تكون بقع الميزر عادةً أصغر بكثير من السحب الأصلية. يخرج معظم الإشعاع على طول خط أطول مسار في "حزمة"؛ وهذا ما يُسمى بالتشعيع .

بما أن كسب الميزر يعتمد بشكل أسي على انعكاس السكان وطول المسار المتماسك للسرعة ، فإن أي اختلاف في أي منهما سيؤدي في حد ذاته إلى تغيير أسي في خرج الميزر.

يؤدي التضخيم الأسي أيضًا إلى تضخيم مركز شكل الخط ( غاوسي أو لورنتزي ، إلخ) أكثر من حوافه أو أطرافه. ينتج عن ذلك شكل خط انبعاث أطول بكثير ولكنه ليس أعرض بكثير، مما يجعل الخط يبدو أضيق مقارنةً بالخط غير المُضخّم.

يستمر النمو الأسي في شدة الإشعاع المار عبر سحابة الميزر طالما استطاعت عمليات الضخ الحفاظ على انعكاس التوزيع السكاني في مواجهة الخسائر المتزايدة الناتجة عن الانبعاث المحفز. وطالما كان الأمر كذلك، يُقال إن الميزر غير مشبع . مع ذلك، بعد نقطة معينة، لا يمكن الحفاظ على انعكاس التوزيع السكاني، ويصبح الميزر مشبعًا . في الميزر المشبع، يعتمد تضخيم الإشعاع خطيًا على حجم انعكاس التوزيع السكاني وطول المسار. يمكن أن يؤثر تشبع انتقال واحد في الميزر على درجة الانعكاس في انتقالات أخرى في نفس الميزر، وهو تأثير يُعرف باسم الكسب التنافسي .

درجة حرارة سطوع الميزر هي درجة الحرارة التي سيبلغها جسم أسود لو كان يُصدر نفس سطوع الإشعاع عند طول موجة الميزر. بمعنى آخر، لو كانت درجة حرارة جسم ما حوالي 10⁹ ^كلفن ، لكان سيُصدر إشعاعًا بتردد 1665 ميجاهرتز يُعادل ما يُصدره ميزر قوي من نوع OH بين النجوم. بالطبع، عند 10⁹ ^{كلفن ،} سيتفكك جزيء OH ( حيث أن kT أكبر من طاقة الرابطة )، لذا فإن درجة حرارة السطوع لا تُشير إلى درجة الحرارة الحركية لغاز الميزر، ولكنها مع ذلك مفيدة في وصف انبعاث الميزر. تتميز الميزرات بدرجات حرارة فعّالة هائلة، حيث يبلغ العديد منها حوالي 10⁹ ^كلفن ، بينما يصل بعضها إلى ^10¹² كلفن، بل وحتى ^10¹⁴ كلفن.

يُعد استقطاب الإشعاع جانبًا مهمًا في دراسة الميزر . غالبًا ما تكون الميزرات الفلكية مستقطبة للغاية، تصل أحيانًا إلى 100% (كما في حالة بعض ميزرات الهيدروكسيل) بشكل دائري ، وبدرجة أقل بشكل خطي . ويعود هذا الاستقطاب إلى مزيج من تأثير زيمان ، والتوجيه المغناطيسي لإشعاع الميزر، والضخ غير المتناحي الذي يُفضّل انتقالات معينة في الحالة المغناطيسية .

تختلف العديد من خصائص انبعاثات الميغاميزر .

المذنبات أجسام صغيرة (  قطرها من 5 إلى 15 كيلومترًا) تتكون من مواد متطايرة متجمدة ( مثل الماء وثاني أكسيد الكربون والأمونيا والميثان ) مغمورة في حشوة سيليكاتية قشرية ، وتدور حول الشمس في مدارات بيضاوية. عند اقترابها من الشمس، تتبخر المواد المتطايرة لتشكل هالة، ثم ذيلًا حول النواة. بعد التبخر، يمكن لهذه الجزيئات أن تُشكّل انقلابات وتغيرات في البنية.

أدى اصطدام المذنب شوميكر-ليفي 9 بكوكب المشتري عام 1994 إلى انبعاثات ليزرية في نطاق 22  جيجاهرتز من جزيء الماء. ^{[ 18 ]} على الرغم من ندرة هذه الأحداث الظاهرة، فقد اقتُرح رصد الانبعاثات الليزرية المكثفة كآلية للكشف عن الكواكب الخارجية . ^{[ 19 ]}

يُفكك ضوء الشمس فوق البنفسجي بعض جزيئات الماء لتكوين هيدروكسيدات قادرة على إصدار إشعاع مازر. في عام 1997، رُصد انبعاث مازر بتردد 1667 ميجاهرتز، وهو مميز للهيدروكسيد، من المذنب هيل-بوب . ^{[ 20 ] [ 21 ]}

يُتوقع وجود أشعة ليزرية في أغلفة الكواكب الغازية العملاقة. ^{[ 22 ]} وستكون هذه الأشعة متغيرة للغاية بسبب دوران الكوكب (فترة 10 ساعات للكواكب العملاقة). وقد تم رصد أشعة ليزرية سيكلوترونية عند القطب الشمالي لكوكب المشتري.

في عام 2009، أبلغ SV Pogrebenko et al. ^{[ 23 ]} عن اكتشاف ميزرات الماء في أعمدة الماء المرتبطة بأقمار زحل هايبريون وتيتان وإنسيلادوس وأطلس.

تُهيئ الظروف الجوية للنجوم المتأخرة الظروف المناسبة لضخ أنواع مختلفة من الميزر على مسافات متفاوتة من النجم. ونظرًا لعدم الاستقرار في مناطق الاحتراق النووي للنجم، فإنه يشهد فترات من زيادة إطلاق الطاقة. تُنتج هذه النبضات موجة صدمية تدفع الغلاف الجوي إلى الخارج. وتوجد ميزرات الهيدروكسيل على مسافة تتراوح بين 1000 و10000 وحدة فلكية ، وميزرات الماء على مسافة تتراوح بين 100 و400 وحدة فلكية، وميزرات أحادي أكسيد السيليكون على مسافة تتراوح بين 5 و10 وحدات فلكية. ^{[ 24 ]}

يُعتقد أن كلاً من الضخ الإشعاعي والضخ التصادمي الناتج عن الموجة الصدمية هما آلية الضخ لميزرات أحادي أكسيد السيليكون. ^{[ 25 ]} تتضاءل هذه الميزرات مع زيادة نصف القطر، حيث يتكثف غاز أحادي أكسيد السيليكون إلى غبار، مما يُقلل من جزيئات الميزر المتاحة. بالنسبة لميزرات الماء، تتوافق حدود نصف القطر الداخلي والخارجي تقريبًا مع حدود الكثافة اللازمة لتشغيل الميزر. عند الحد الداخلي، تكون التصادمات بين الجزيئات كافية لإزالة انعكاس التوزيع السكاني. أما عند الحد الخارجي، فتكون الكثافة والعمق البصري منخفضين بما يكفي لتقليل كسب الميزر. وتعتمد ميزرات الهيدروكسيل على الضخ الكيميائي. عند المسافات التي توجد فيها هذه الميزرات، تتفكك جزيئات الماء بفعل الأشعة فوق البنفسجية.

تُشكّل الأجرام النجمية الفتية ومناطق الهيدروجين المتأين (H II ) فائقة الكثافة، المُدمجة في السحب الجزيئية والسحب الجزيئية العملاقة ، المصدر الرئيسي للميزرات الفلكية. وتؤدي آليات الضخ المختلفة - الإشعاعية والتصادمية، بالإضافة إلى تركيبات منهما - إلى انبعاث الميزر لانتقالات متعددة للعديد من الأنواع. على سبيل المثال، لوحظ انبعاث الميزر من جزيء الهيدروكسيل (OH) عند الترددات 1612، 1665، 1667، 1720، 4660، 4750، 4765، 6031، 6035، و13441  ميجاهرتز. كما تُعدّ ميزرات الماء والميثانول من الأنواع الشائعة في هذه البيئات. وقد تُوجد ميزرات نادرة نسبيًا، مثل الأمونيا والفورمالديهايد ، في مناطق تكوّن النجوم. ^{[ 26 ]}

من المعروف أن انتقال الميزر 1720  ميجاهرتز للهيدروكسيد مرتبط ببقايا المستعرات العظمى التي تتفاعل مع السحب الجزيئية . ^{[ 27 ]}

بينما تستطيع بعض الميزرات في مناطق تكوّن النجوم الوصول إلى لمعان كافٍ لرصدها من المجرات الخارجية (مثل سحابتي ماجلان القريبتين )، فإن الميزرات المرصودة من المجرات البعيدة تنشأ عمومًا في ظروف مختلفة تمامًا. تمتلك بعض المجرات ثقوبًا سوداء مركزية تسقط فيها قرص من المادة الجزيئية (يبلغ حجمه حوالي 0.5 فرسخ فلكي). يمكن أن تؤدي إثارة هذه الجزيئات في القرص أو في نفاثة إلى ظهور ميزرات عملاقة ذات لمعان عالٍ. ومن المعروف أن ميزرات الهيدروكسيل والماء والفورمالديهايد موجودة في هذه الظروف. ^{[ 28 ]}

يُفهم عمومًا أن تغير شدة الليزر يعني تغير السطوع الظاهري للمراقب. قد تحدث تغيرات الشدة على مدى فترات زمنية تتراوح من أيام إلى سنوات، مما يشير إلى وجود حدود لحجم الليزر ونظام إثارته. ومع ذلك، تتغير الليزرات بطرق مختلفة على مدى فترات زمنية متفاوتة.

من المعروف أن الميزرات في مناطق تشكل النجوم تتحرك عبر السماء مع المادة المتدفقة من النجم (أو النجوم) المتشكلة. ونظرًا لأن الانبعاث عبارة عن خط طيفي ضيق، يمكن تحديد سرعة خط الرؤية من خلال تغير إزاحة دوبلر للتردد المرصود للميزر، مما يسمح برسم خريطة ثلاثية الأبعاد لديناميكيات بيئة الميزر. ولعل أبرز نجاح لهذه التقنية هو التحديد الديناميكي للمسافة إلى المجرة NGC 4258 من خلال تحليل حركة الميزرات في قرص الثقب الأسود. ^{[ 30 ]} كما استُخدمت ميزرات الماء لتقدير المسافة والحركة الذاتية للمجرات في المجموعة المحلية ، بما في ذلك مجرة ​​المثلث . ^{[ 31 ]}

تُتيح عمليات رصد مصادر الليزر في النجوم المتأخرة ومناطق تكوّن النجوم باستخدام تقنية التداخل الراديوي طويل المدى (VLBI) تحديدَ اختلاف المنظر المثلثي لها ، وبالتالي تحديدَ بُعدها. تُعدّ هذه الطريقة أكثر دقةً من طرق تحديد المسافة الأخرى، وتُزوّدنا بمعلوماتٍ حول مقياس المسافة المجرية، مثل بُعد الأذرع الحلزونية.

على عكس الليزرات والميزرات الأرضية التي تُعرف آلية إثارتها وتُصمم هندسيًا، فإن العكس صحيح بالنسبة للميزرات الفلكية. عمومًا، تُكتشف الميزرات الفلكية تجريبيًا ثم تُدرس بشكل أعمق لوضع اقتراحات معقولة حول مخططات الضخ المحتملة. يُعدّ تحديد الحجم العرضي والتغيرات المكانية والزمانية وحالة الاستقطاب، والتي تتطلب عادةً قياسات عن بُعد بتقنية VLBI، مفيدًا في تطوير نظرية الضخ. يُعدّ ضخ الفورمالديهايد المجري مثالًا على ذلك، ولكنه لا يزال يُمثل تحديًا. ^{[ 32 ]}

من جهة أخرى، تم التنبؤ نظرياً بحدوث بعض أنواع الميزر، لكن لم يتم رصدها في الطبيعة حتى الآن. على سبيل المثال، من المتوقع حدوث انتقالات ثنائية القطب المغناطيسي لجزيء الهيدروكسيل (OH) بالقرب من 53  ميجاهرتز، لكن لم يتم رصدها بعد، ربما بسبب نقص الأجهزة الحساسة. ^{[ 33 ]}