При сильном отклонении от термодинамического равновесия возможно нарушение больцмановского распределения по уровням. Может реализоваться случай инверсии населенностей, когда температура возбуждения Tx некоторого перехода становится отрицательной. Это соответствует избытку населенности ( инверсии населенностей ) верхнего уровня u относительно нижнего уровня l по сравнению с формулой Больцмана. Степень инверсии населенностей характеризуется величиной

Инверсия может создаваться при помощи некоторого механизма накачки (излучением или столкновениями с частицами окружающего газа). При прохождении фонового радиоизлучения на частоте перехода nul возникает лавина вынужденных переходов u→l, и излучение многократно усиливается. Имеет место мазерный эффект (maser – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Условия, благоприятные для накачки молекул OH, H2O и некоторых других, существуют в областях звездообразования, вблизи молодых звездных объектов, а также в газопылевых оболочках звезд на поздней стадии эволюции – красных гигантов и сверхгигантов (§§ 5.5, 6.1).

Уравнения, описывающие перенос мазерного излучения в одномерном случае (в общем случае зависящие от времени):

член с A учитывает влияние спонтанных переходов (в мазере им обычно пренебрегают, так как основная роль принадлежит вынужденным переходам), P – мощность накачки (количество молекул, накачанных на верхний уровень u в 1 см3 за 1 с), I, Dn, P – функции x и t, an – коэффициент усиления мазера; второе уравнение отражает конкуренцию двух процессов: уменьшения Dn в результате вынужденных переходов сверху вниз и его увеличения за счет накачки. В стационарном случае производные по времени обращаются в ноль. Имеются два предельных решения:

а) ненасыщенный мазер (скорость накачки велика и превышает скорость вынужденных переходов):

– коэффициент мазерного усиления, Aul – вероятность спонтанного перехода u®l, dn – ширина мазерной линии; нарастание интенсивности с расстоянием происходит экспоненциально;

б) насыщенный мазер (скорость вынужденных переходов превосходит частоту актов накачки, то есть практически вся мощность накачки используется для мазерного усиления):

где Sp – скорость накачки (в расчете на одну молекулу за одну секунду), B – эйнштейновский коэффициент вынужденного перехода (2.39), W – телесный угол, в котором распространяется мазерное излучение; интенсивность растет линейно в зависимости от расстояния.

В космических источниках чаще реализуется случай насыщенного мазера: при значительном росте интенсивности условие случая (б) достигается очень быстро, и мазер переходит из ненасыщенного режима в насыщенный.

Для накачки мазера и создания инверсии населенностей некоторого перехода необходимы неравновесные условия (например, облучение анизотропным потоком радиации с непланковским спектром, различие температур газа и поля излучения и т.д.). Механизмы накачки делятся на радиативные (возбуждение излучением) и столкновительные (возбуждение столкновениями с частицами окружающего газа). В цикле накачки, помимо сигнальных уровней перехода u®l, участвуют другие, обозначенные p на рис. 2.7. В случае, когда уровень l представляет собой основное состояние молекулы (пример – линии OH l = 18 см), мазер можно считать трехуровневым; в других случаях в накачке участвуют как вышележащие, так и нижележащие уровни. Реально p могут представлять собой целые группы уровней.

Известны источники мазерного радиоизлучения (в линиях молекул OH, H2O, CH3OH, SiO и H2CO) в областях звездообразования, в окрестностях молодых звездных объектов, и в газопылевых оболочках звезд поздних спектральных классов – красных гигантов и сверхгигантов (в линиях OH, H2O, SiO и HCN). Особенно сильные мазеры OH, H2O и H2CO ( мегамазеры ) обнаружены в некоторых активных галактиках (§7.1).