Возможность наблюдения межзвездных радиолиний в L-удвоении основных состояний двухатомных молекул (OH, CH и др.) была предсказана И.С. Шкловским [АЖ, 1949, 26, 10]. Впервые линии OH l = 18 см наблюдались в межзвездной среде в 1963 г. в поглощении на фоне радиоисточника Cas A. Лучевые скорости и профили линий были в согласии с теми же параметрами линии 21 см HI, т.е. молекулы OH локализованы в тех же облаках, что и нейтральный водород. В 1965 г. были обнаружены источники очень интенсивного мазерного излучения в линиях OH l = 18 см (§5.6), а в 1968 г. – слабое тепловое излучение межзвездных облаков в тех же линиях. Содержание OH по отношению к нейтральному водороду XOH = nOH/nHI в среднем ~10–6. Отношение интенсивностей главных линий 1665 и 1667 МГц обычно близко к равновесному 5:9, а сателлит 1720 МГц бывает аномально усилен и по интенсивности почти равен линии 1667 МГц. Это указывает на отклонения населенностей подуровней основного состояния OH от равновесных.

В 1968 г. последовали открытия радиолиний еще сразу трех молекул: H2O, NH3 и H2CO. Всего с конца 1960-х гг. до настоящего времени обнаружено свыше 90 молекул (см. таблицу 5), наблюдалось более 4500 спектральных линий от них в широком диапазоне частот, от дециметровых до субмиллиметровых волн. Точную цифру назвать трудно, т.к. многие спектральные линии отождествляются неуверенно или пока не имеют отождествлений совсем. Многие из обнаруженных молекул относительно редки, их излучение наблюдается в одном-двух объектах (чаще всего, в межзвездных облаках, связанных с тепловыми радиоисточниками Sgr B2 и Ori A). Однако, некоторые молекулы (включая упомянутые OH, H2O, H2CO, NH3), а также CO, CS, HCN, HCO+ и др. очень распространены, легко наблюдаются (как в нашей Галактике, так и в других галактиках) и представляют собой полезный инструмент для исследования физических условий в межзвездном газе. Большое разнообразие молекул, найденных в межзвездных облаках, было неожиданностью. Ранее предполагалось, что многоатомные молекулы не могут образоваться и существовать длительное время в межзвездной среде, т.к. будут быстро разрушены УФ-излучением. Открытие многочисленных сложных молекул показало, что 1) в межзвездной среде существуют области, где молекулы сохраняются довольно долго, 2) есть эффективные механизмы образования сложных молекул. Появилась новая отрасль астрономии – химия межзвездной среды. Межзвездные молекулы – одно из выдающихся открытий радиоастрономии 1960–1970-х гг.

Таблица 5

Молекулы, обнаруженные в межзвездной среде и околозвездных оболочках

Рассмотрение таблицы 5 показывает, что большинство найденных молекул состоит из атомов H, C, N, O, Si, S, а также F, Na, Mg, Al, P, Cl, K. Молекулы, отмеченные звездочкой, наблюдались только в оптической, УФ - и(или) ИК-области спектра. Буквой c обозначены циклические молекулы. Много органических соединений. Молекулы, перечисленные в таблице 5, состоят из основных изотопов элементов: H = 1H, C = 12C, N = 14N, O = 16O, F = 19F, Na = 23Na, Mg = 24Mg, Al = 27Al, Si = 28Si, P = 31P, S = 32S, Cl = 35Cl, K = 39K. Для ряда молекул обнаружены изотопозамещенные разновидности, включающие изотопы D = 2H, 13C, 15N, 17O, 18O, 29Si, 30Si, 33S, 34S, 37Cl. Подробную информацию о межзвездных молекулах, частотах и отождествлениях линий можно найти в базе данных Ф. Ловаса (F. Lovas):

У молекулы воды был найден вращательный переход 616–523 на волне l = 1.35 см между двумя уровнями, расположенными высоко над основным состоянием; излучение в этой линии всегда мазерное, оно обсуждается подробно в §6.1.

У молекулы аммиака наблюдаются инверсионные переходы между подуровнями вращательных уровней. Молекулы аммиака наблюдаются в плотных ядрах внутри межзвездных облаков. Аммиак – хороший индикатор температуры газа. Вращательные уровни с одинаковыми значения квантовых чисел J и K (1, 1), (2, 2) и т.д. являются метастабильными, вероятность спонтанного радиативного перехода с них вниз мала. Время жизни молекул на этих уровнях больше, чем время между столкновениями с молекулами окружающего газа. Поэтому температура распределения молекул по уровням Tx определяется кинетической температурой газа Tкин. Длины волн инверсионных переходов внутри разных метастабильных уровней мало отличаются (ll = 1.26–1.35 см). Несколько переходов NH3 могут наблюдаться одновременно на одном радиотелескопе с тем же угловым разрешением и с одним приемником, По отношению интенсивностей линий можно найти Tx @ Tкин.

Первая линия, наблюдавшаяся у межзвездных молекул формальдегида – вращательный переход 111–110 (l = 6.21 см). Молекула H2CO широко распространена в межзвездном газе. По лучевым скоростям линии H2CO в разных направлениях (так же, как по линии 21 см) удалось проследить ряд спиральных рукавов Галактики, а во внутренней области Галактике в ряде случаев разрешить двойственность расстояний до источников. Линия 111–110 H2CO наблюдается почти исключительно в поглощении. Интересно, что в некоторых направлениях (например, в направлениях плотных пылевых туманностей) линия 111–110 наблюдается в поглощении даже при отсутствии дискретных источников радиоконтинуума. Следовательно, поглощение в линии 111–110 происходит на фоне реликтового излучения с T0 =2.7 K. Согласно формуле (1.12), добавка к яркостной температуре фона T0 составляет

DT = (Tx – T0)(1 – e–t).                            (5.49)

В данном случае DT < 0, и температура возбуждения перехода 111–110 оказывается ниже 2.7 K. У молекул формальдегида имеется избыток населенности на нижнем уровне перехода ( антиинверсия ), в отличие от мазера, где избыток населенности – на верхнем уровне перехода. Аномальное поглощение в линии формальдегида 6.2 см иногда называют антимазерным эффектом. Как и в мазере, здесь действует неравновесный механизм, приводящий к аномальному охлаждению перехода до Tx < 2.7 K. Во многих случаях оптическая толща в линии 111–110 t > 1 (линия поглощения насыщена). Со времени обнаружения линии 111–110 найдено еще несколько переходов межзвездного формальдегида в излучении, самый интенсивный – 212–211 (l = 2.1 см).

Одна из наиболее распространенных и полезных для астрофизики молекул – моноокись углерода CO, обнаруженная в межзвездной среде в 1970 г. Потенциал диссоциации CO cdis = 11.1 эВ, это одна из наиболее прочных и устойчивых молекул, существующая практически везде, где водород находится в нейтральном состоянии. Во многих областях межзвездной среды и в газопылевых оболочках звезд поздних спектральных классов наблюдались на миллиметровых и субмиллиметровых волнах вращательные переходы CO J = 1–0 (n = 115.271 ГГц), 2–1 (230.538 ГГц), 3–2 (345.796 ГГц) и другие, более высокочастотные переходы. При наличии теоретической модели возбуждения вращательных уровней CO столкновениями и полем излучения для разных значений плотности n и температуры T, и наблюдая одни и те же источники в разных переходах, можно определить n и T газа в источниках.