Một số ứng dụng của maser trong nghiên cứu vật lí thiên văn luận văn thạc sỹ vật lý

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINHKHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÍCHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Lời cảm ơn!

Tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS ĐinhPhan Khôi vì những giúp đỡ của thầy trong gần 2 năm qua để tôi hoàn thành đề tàiluận văn tốt nghiệp! Thầy đã định hướng, giúp đỡ tôi chọn đề tài và chỉ dẫn cho tôinhững bước cần thiết nhất để hoàn thiện đề tài.

Xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo chủ nhiệm chuyên ngành quang học TS.Nguyễn Huy Bằng, cùng các thầy cô trong khoa vật lý, khoa sau đại học đã tậntình giảng dạy, giúp đỡ các học viên cao học 18 chuyên ngành quang học chúngtôi hoàn thành tốt khóa học!

Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp cao học 18 – Quang học, các bạnbè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong hơn 2 năm học vừa qua!

Vinh, tháng 09 năm 2012Tác giả:

Trần Hữu Đạo

MỤC LỤC

Mở đầu……… 1

Chương I: Một số kiến thức cơ sở về maser……… 6

1 Giới thiệu……… 6

1.1 Maser gián đoạn……… 7

1.1.1 Maser chưa bão hòa và maser bão hòa……… 10

1.1.2 Phổ maser 12

1.1.3 Điều kiện phát xạ maser 13

1.1.4 Các cơ chế bơm maser 15

1.1.5 So sánh phát xạ maser với laser 17

1.2 Maser liên tục 18

1.2.1 Các cơ chế phát maser liên tục 18

1.2.2 Các nguồn phát maser liên tục trong vũ trụ 25

Chương II: Một số ứng dụng của maser trong nghiên cứu Vật lí thiên văn 28

2.1 Quan sát maser gián đoạn trong Vật lí thiên văn 28

2.1.1 Các sao 30

2.1.2 Các thiên hà 36

2.2 Quan sát maser liên tục trong Vật lí thiên văn 45

2.2.1 Từ quyển sao và hành tinh 45

Mở đầu

Vật lí thiên văn hiện nay là một lĩnh vực đang được rất nhiều nhà khoa họcquan tâm Ngày 04/10/2011, Ủy ban Nobel tại Stockholm đã quyết định trao giảiNobel Vật lý cho hai nhà vật lý thiên văn người Mỹ Saul Perlmutter và AdamRiess, cùng với nhà khoa học Brian Schmidt, mang hai quốc tịch Mỹ-Úc Ba ngườinày đã có công "phát hiện sự giãn nở với tốc độ đang tăng nhanh của vũ trụ".

Bản thông báo của Ủy ban Nobel ghi nhận : "Các nhà khoa học đã nghiên cứu hàngchục vụ nổ của các vì sao gọi là sao siêu mới (supernova), và phát hiện ra rằng vũtrụ đã giãn ra với một tốc độ gia tăng thường trực"

Để có được những thành tựu như vậy, các nhà khoa học đã phải thu thập vàxử lí rất nhiều thông tin từ vũ trụ Vũ trụ là một phòng thí nghiệm đa dạng cung cấpcho các nhà khoa học những số liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý hóa, từ mứcvĩ mô đến mức vi mô Trong đó, các maser và laser mang rất nhiều thông tin từ vũtrụ đến cho chúng ta Bên cạnh đó thì các laser và maser cũng được ứng dụng rấtnhiều để thu thập các thông tin từ vũ trụ Vậy những tính chất của laser và maserđóng vai trò vô cùng quan trọng trong nghiên cứu Vật lí thiên văn mà hiện nay cácnhà khoa học đang rất quan tâm!

Lí thuyết về “phát xạ kích thích” được Einstein xây dựng vào năm 1915.Năm 1952, Basov và Prokhorov mô tả nguyên lí hoạt động của maser Maser đầutiên được Townes, Gordon và Zeiger tạo ra trong phòng thí nghiệm vào năm 1953.Năm 1960, Maiman tạo ra laser đầu tiên Năm 1965, Weaver phát hiện ra nguồnmaser có nguồn gốc tự nhiên đầu tiên

Maser và laser có cơ chế hoạt động giống nhau, chỉ khác là maser hoạt độngvới tần số photon ở vùng vi sóng còn laser hoạt động trong phổ cực tím, ánh

Hình 1: Cơ chế phát xạ photon của nguyên tử

Townes, Gordon và Zeiger tạo ra maser trong phòng thí nghiệm bằng cách sau:- Nung nóng khí ammonia, làm cho các phân tử bị kích thích.

- Các phân tử đã bị kích thích bị tách trong buồng cộng hưởng.

- Các photon phát xạ tự phát tương tác với các phân tử bị kích thích, gây racác phát xạ kích thích, tiếp đó các phát xạ này được khuếch đại.

- Chùm maser truyền qua lại nhiều lần trong buồng cộng hưởng và đượckhuếch đại rất mạnh.

Theo quan niệm của Planck, vật chất bị lượng tử hoá và được coi như nhữnghạt dao động điều hoà (harmonic oscillator) để phát ra bức xạ Năng lượng của hạtđược lượng tử hoá trên những mức cách đều nhau Bohr nhận định là những mứcnăng lượng của những hệ nguyên tử không nhất thiết phải cách nhau đều Sau nàycác nhà vật lý xác định là khoảng cách của những mức năng lượng của phân tử

cũng không được phân bố đều trên thang năng lượng Einstein không những dựatrên giả thuyết vật chất bị lượng tử hoá của Planck, mà còn cho rằng bức xạ cũng là

những hạt lượng tử có năng lượng hv

Những tinh vân trong vũ trụ là những đám khí trong đó nguyên tử thay đổinăng lượng để phát ra bức xạ Khi đám khí ở trạng thái cân bằng nhiệt, nguyên tửđược phân bố trên thang năng lượng theo định luật Boltzmann Ở những mức năng

lượng E càng cao thì mật độ nguyên tử n càng thưa thớt, chúng giảm theo định luậthàm mũ: n ~ exp (-E/kT) Theo Einstein, khi một bức xạ có tần số thích hợp chiếu

vào nguyên tử thì nguyên tử hấp thụ photon của bức xạ để nhảy từ mức năng lượng

thấp l lên mức năng lượng cao m Cường độ của bức xạ càng mạnh thì xác suất củahiện tượng hấp thụ càng cao và tỷ lệ với một hằng số gọi là Blm Ngược lại, nguyên

tử phát ra photon khi chuyển từ mức năng lượng cao m xuống mức năng lượng thấp

l Trong trường hợp này, Einstein đề xuất hai cơ chế phát bức xạ khác nhau Cơ chế

thứ nhất là nguyên tử có khả năng chuyển hoàn toàn ngẫu nhiên từ mức năng lượng

cao m xuống mức năng lượng thấp l với xác suất Aml mà không cần có một nguồn

bức xạ nào chiếu vào Quá trình này gọi là quá trình phát xạ tự phát (spontaneous

emission) Cơ chế thứ hai là nếu có một bức xạ có tần số v thích ứng với hiệu số

năng lượng ở mức m và l (Em – El = hv), chiếu vào thì đám khí nguyên tử phát ra“bức xạ cảm ứng” (stimulated emission) Số photon phát ra tỷ lệ với cường độ củabức xạ theo hệ số Bml tương ứng với hai mức m và l Bức xạ tự phát và bức xạ cảm

ứng phát ra dưới dạng những vạch phổ có tần số tương ứng với sự chuyển mức

giữa mức m và mức l Những hệ số Aml , Blm và Bml gọi là hệ số Einstein, không phải

là những hằng số phổ biến mà tùy thuộc vào những mức năng lượng l, m và vào

đặc điểm của từng nguyên tử Trong một đám khí nguyên tử ở trạng thái cân bằngnhiệt, số nguyên tử chuyển lên mức trên phải bằng số nguyên tử chuyển xuống mứcdưới Einstein dựa trên giả thuyết này và đồng thời áp dụng công thức Planck để

tìm thấy những hệ thức giữa những hệ số Aml , Blm và Bml Muốn tính được giá trịcủa những hệ số Einstein tương ứng với từng vạch phổ, các nhà vật lý phải dùngthêm cả những định luật của vật lý nguyên tử Những hệ số Einstein được dùngtrong phương trình cân bằng thống kê để tính phổ của những bức xạ nguyên tử vàphân tử

Trong vũ trụ những đám khí trong tinh vân thường ở trạng thái cân bằngnhiệt Các nhà thiên văn quan sát những vạch phổ nguyên tử và phân tử để xác địnhđiều kiện lý hóa trong những thiên thể như nhiệt độ và mật độ Hydro trung hoà lànguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ Nguyên tử hydro phát ra một vạch phổ trên

bước sóng vô tuyến 21 centimet Xác suất tự phát Aml của nguyên tử hydro rất thấp

(Aml ~ 3.10-15/giây) nên nguyên tử tồn tại trên mức năng lượng cao m trong một thời

gian tml dài tới 11 triệu năm (tml ~ 1/Aml) Có nghĩa là cứ 11 triệu năm mới có mộtphoton vô tuyến của nguyên tử hydro tự nhiên phát ra trên bước sóng 21 centimet !Nhờ có sự va chạm với electron làm nguyên tử chuyển mức năng lượng nhanh hơn,nên chu kỳ phát photon được giảm xuống 400 năm, tuy vẫn còn dài Tuy nhiên bứcxạ 21 centimet của nguyên tử trung hoà hydro vẫn là bức xạ mạnh nhất trong vũtrụ, bởi vì hydro là thành phần vật chất phổ biến nhất, có mật độ cao nhất Vạchphổ 21 centimet của hydro đã được dùng để phát hiện cấu trúc xoắn ốc của Ngânhà và để quan sát những thiên hà xa xôi

Cơ chế phát bức xạ cảm ứng mà Einstein đề xuất đã dẫn đến những áp dụng

để sản xuất những máy laser và maser trong công nghiệp Công trình của Einsteincũng tỏ ra rất cần thiết trong công việc nghiên cứu hiện tượng laser và maser trong

vũ trụ Thông thường những đám khí tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt trong đónguyên tử tập trung chủ yếu ở những mức năng lượng thấp theo định luật

Boltzmann Tuy nhiên đám khí có thể chuyển sang trạng thái không cân bằng nhiệt

bố nguyên tử không còn tuân theo định luật Boltzmann Thậm chí sau khi được

bơm, mật độ nguyên tử ở những mức năng lượng cao có khả năng vượt hơn hẳn

mật độ nguyên tử ở̉ những mức năng lượng thấp Hiện tượng “đảo ngược mật độ”

tạo ra tình trạng có rất nhiều nguyên tử tập trung ở những mức năng lượng cao,

chẳng hạn ở mức m Khi một bức xạ có tần số v = (Em – El)/h chiếu vào thì khôngcòn nhiều nguyên tử ở mức năng lượng thấp l để hấp thụ bức xạ Trái lại, bức xạ

khởi động một quá trình tương tự như một loại “phản ứng dây chuyền”, làm những

nguyên tử tập trung ở mức năng lượng cao m đột nhiên đổ xô xuống mức nănglượng dưới l và phát ra các bức xạ Quá trình này tạo ra laser rất mạnh Các nhà vật

lý sử dụng nhiều “thủ thuật” để bơm nguyên tử lên những mức năng lượng cao.Chẳng hạn họ dùng các chùm bức xạ có công suất lớn và năng lượng cao để bơmnguyên tử lên những mức năng lượng rất cao Từ đây nguyên tử dần dần tự rơixuống những mức năng lượng thấp hơn qua cơ chế bức xạ tự phát và tạm dừng lại

ở một mức năng lượng m nào đó kém bền vững Khi đó chỉ cần một bức xạ có tần

số thích hợp chiếu vào là nguyên tử đổ xuống một mức năng lượng thấp hơn và tạo

ra bức xạ laser Vậy Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation)

phát ra những tia xạ trên lĩnh vực sóng khả kiến, tử ngoại (ultraviolet) và hồng

ngoại (infrared) Còn maser (Microwave amplification by stimulated emission of

radiation) hoạt động theo nguyên tắc của laser nhưng trên miền sóng vi ba (vô

tuyến)

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về maser và những ứng dụng của nó trongngành vật lý thiên văn.

Chương I: Một số kiến thức cơ sở về maser1 Giới thiệu

Mặc dù laser đã rất quen thuộc đối với chúng ta, nhưng nghiên cứu về cáctính chất và những ứng dụng tuyệt vời của chúng vẫn là một vấn đề đang đượcnhiều người quan tâm Vì vậy, ngay từ ban đầu, sự hiện diện của laser trong tựnhiên đã làm chúng ta hơi ngạc nhiên, nhưng chúng đã được phát hiện trên ít nhất ởsáu hành tinh trong Hệ Mặt trời, trong nhiều ngôi sao, thiên hà và môi trường giữacác vì sao Vậy laser thiên nhiên được tạo ra như thế nào? Chúng đến từ đâu vàchúng mang những thông tin gì về quá trình hình thành và tiến hóa của vũ trụ ?Nghiên cứu các laser thiên nhiên sẽ giúp chúng ta khám phá được những gì về vũtrụ mà chúng ta đang sống?

Sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về những cơ chế tạo thành, tính chất của laserthiên nhiên (hay còn gọi là maser) và những ứng dụng của chúng trong Vật lý thiênvăn.

Không lâu sau khi phòng thí nghiệm đầu tiên về maser được xây dựng, vớiđộ phân giải cao được cung cấp bởi VLBI (hệ thống giao thoa kế có đường cơ sởdài) đã cho thấy rằng một số nguồn vô tuyến ở các vùng hình thành sao có nhiệt độchói sáng rất cao Các nhà khoa học đã cho rằng các nguồn này có thể là một maservật lý thiên văn Khi tiếp tục nghiên cứu sâu, chúng đã được khẳng định gần nhưchắc chắn là maser Vì thế chúng đã mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các nhàkhoa học, họ cho rằng sự tồn tại của một cái gì đó kỳ lạ như maser phải chứa nhữngthông tin quan trọng về môi trường thiên văn Điều này đã thúc đẩy một cách mạnhmẽ nhiều nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu Kết quả cho thấy sự tồn tại phổbiến maser trong vũ trụ (mặc dù laser trong vũ trụ vẫn còn hiếm), vì chủ yếu trongvũ trụ mật độ vật chất rất thấp nên cho phép trạng thái plasma tự nhiên tồn tại khácxa trạng thái cân bằng nhiệt động lực học Để có thể biết được maser mang đến cho

chúng ta những thông tin gì về vũ trụ thì trước hết chúng ta cần có một sự hiểu biếtchi tiết về các tính chất vật lý và hóa học của maser.

Vài lưu ý về thuật ngữ: trong phòng thí nghiệm, sự khác biệt giữa laser vàmaser là: công nghệ laser sử dụng các hiệu ứng chuyển tiếp điện tử, trong khimaser sử dụng các hiệu ứng chuyển tiếp quay hoặc dao động của phân tử Trongvật lý học thiên văn, người ta thường dùng các thiết bị công nghệ để dò sóng bức

xạ vi ba và các máy dò lượng tử ánh sáng Các nghiên cứu đều hướng tới vùng

hồng ngoại xa, do đó việc nghiên cứu trên Trái đất gặp nhiều khó khăn Hơn nữa,có sự khác biệt đáng kể giữa vật lý maser trong phòng thí nghiệm với maser quansát được trong vật lý thiên văn Sau đây chúng tôi sẽ sử dụng thuật ngữ maserchung cho cả laser và maser.

1.1 Maser gián đoạn

Maser vật lý thiên văn phát sinh từ hiệu ứng chuyển tiếp giữa các trạng tháigián đoạn của các nguyên tử, phân tử hoặc các ion Do đó bức xạ của chúng nằmtrong vùng sóng vô tuyến, hồng ngoại, hoặc vùng khả kiến Phần lớn các maserđược nghiên cứu dựa trên hiệu ứng chuyển tiếp phân tử, vì thế dải sóng của chúngthuộc vùng sóng vô tuyến.

Hiện tượng cơ bản tạo ra bức xạ maser phát xạ tự phát là khi một photon tácđộng đến một phân tử đang ở trạng thái kích thích thì làm phân tử đó phát xạ mộtphoton có cùng mức năng lượng và chuyển xuống trạng thái có mức năng lượngthấp hơn Hiện tượng kỳ lạ này đã được Einstein dự đoán, để nghiên cứu và tạo rađược nó chúng ta cần sử dụng những định luật Planck về các đặc tính vi mô củanguyên tử Bức xạ maser chỉ xẩy ra khi có sự đảo lộn mật độ tích lũy, nghĩa là khicác phân tử không ở trong trạng thái cân bằng nhiệt Với các nghiên cứu trên mặtđất thì các điều kiện vật lý để cho maser xảy ra là rất khó, nhưng trong các môitrường vật lý thiên văn mật độ phân tử khí thấp do đó các phân tử bụi khí không tồn

tại ở trạng thái cân bằng nhiệt là khá phổ biến, vì thế maser tự nhiên là khá phổbiến Các nghiên cứu trên mặt đất cũng thường đòi hỏi các gương phản xạ ánh sángcó đường kính lớn nhưng kích thước maser được tạo ra là khiêm tốn hơn nhiều sovới maser tự nhiên (đường kính tối thiểu cỡ vài đơn vị thiên văn – một đơn vị thiênvăn có chiều dài 1,5.1011 m)

Gọi  là hệ số hấp thụ vĩ mô có thể liên quan hệ các hệ số Einstein B12 vàB21, các trạng thái có mật độ phân tử tương ứng là n1 và n2, và gọi (ν) là đường) là đườngchuẩn hóa Ta có

Với hệ số hấp thụ âm sẽ tạo ra khả năng khuếch đại theo tăng theo hàm mũ rấtnhanh Trong điều kiện nhiệt độ chói sáng (làm việc ở phần của quang phổRayleigh-Jeans), ta có

Ngay sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về sự phát triển của nhiệt độ chói sáng theo cấpsố nhân.

Nếu có một đám hơi bất thường (có sự đảo lộn mật độ) ở trong chất khí, khiđó cường độ bức xạ theo mỗi hướng sẽ tăng với cấp số nhân theo chiều dài của

sẽ làm cho cường độ bức xạ phát ra theo hướng đó tăng lên gấp bội Tuy nhiên, sựphát triển theo cấp số nhân không thể tăng đến vô hạn Khi bức xạ kích thích đượctăng cường sẽ làm cho số lượng phát xạ kích thích tăng lên, đồng thời làm suy giảmsự đảo lộn mật độ Khi cường độ cao, maser được xem là bão hòa (xem hình 2).

Hình 2: Lúc đầu, cường độ của maser là một hàm số phát triển theo cấp số nhân (hàm mũ), sau đó khi công suất của các phương tiện bơm đủ lớn thì nó trở nên tuyến tính

Việc phân tích maser bão hòa khá phức tạp bởi thực tế ánh sáng truyền trong tất cảcác hướng làm suy yếu nghịch đảo mật độ, do đó cường độ theo các hướng khácnhau được kết hợp Rất may là trong một phạm vi hẹp, sự phát triển của chùmmaser chưa bão hòa theo cấp số nhân được tập trung hầu hết theo một hướng nhấtđịnh, do đó, mục đích chính của chúng ta có thể tập trung vào một mô hình haichiều

1.1.1 Maser chưa bão hòa và maser bão hòaa) Maser chưa bão hòa

Khi maser chưa bão hòa, cường độ quan sát tỷ lệ thuận với cường độ củanguồn: II e,0

Hình 3: Đồ thị thu hẹp trong mô hình maser đơn giản.

Độ nhạy theo hàm mũ độ sâu quang học của maser chưa bão hòa cũng áp dụng chosự phụ thuộc tần số khi tần số dịch chuyển ra xa đỉnh của đồ thị, khuếch đại sẽgiảm xuống Làm cho độ rộng vạch phổ của chúng hẹp hơn độ rộng của vạch phổ ởnhiệt độ tự nhiên Trong thực tế, hình dạng đồ thị là rất nhạy cảm với các điều kiệntại vùng maser, do đó hình dạng đồ thị sẽ cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin đểkhám phá các vùng maser trong tự nhiên.

b) Maser bão hòa

Khi cường độ của trường bức xạ phát triển mạnh mẽ, đủ để ảnh hưởng đángkể đến những thay đổi bức xạ của các đám mây bụi Để tạo ra và duy trì được trạngthái maser ổn định chắc chắn phải có một số quá trình mà ở đó các phân tử đượcchuyển mức năng lượng từ một trạng thái khác Bây giờ giả định rằng các phân tửđược tạo ra ở trạng thái kích thích nhiều hơn trạng thái cơ bản

Trong trạng thái ổn định, một maser bão hòa có mật phân tử 12

g g sẽ không hấpthụ cũng không phát xạ kích thích Quá trình bơm thêm một dòng ổn định cho cáchạt trong trạng thái năng lượng cao, với cường độ bức xạ đủ mạnh để đảm bảo phátxạ cưỡng bức xảy ra gần như ngay lập tức Như vậy, ngoài một lớp mỏng nơimaser là chưa bão hòa, gần như tất cả các maser được chuyển đổi nhờ nguồn bơmphoton maser Ngoài ra, cần chú ý sự hấp thụ của maser cân bằng với phát xạ kíchthích, do đó, bức xạ đi qua khu vực không tiêu hao Đặc biệt, điều này có nghĩa làcường độ maser là tỷ lệ thuận với khối lượng maser (chính xác là với đầu vào nănglượng bơm).

Hình 4: Phổ hoạt động của maser trong một vùng của gradient vận tốc khôngđổi Hiệu ứng Doppler do sự dịch chuyển là 0,01 độ rộng dòng cho mỗi độ sâuquang học

1.1.2 Phổ maser

Số lượng quang phổ của maser có thể cho chúng ta biết được nhiều thông tinvề môi trường của nó Kể từ khi các maser được tạo ra từ hiệu ứng chuyển tiếpphân tử, tần số của các dòng maser được quan sát cho ta một phép đo trực tiếp củadịch chuyển đỏ tại vị trí của maser.

Chiều rộng của đồ thị, kết hợp với cường độ của nó (so với vạch phát xạ gầnđó), có chứa thông tin về mức độ bão hòa của maser Một phân tích phức tạp hơnvề maser bão hòa lại cho kết quả khác Đồ thị không thu hẹp hơn mà trong thực tếđồ thị có thể mở rộng theo chiều rộng của nhiệt độ Điều này được giải thích trongmô hình của hai đường, khi maser hoạt động trong một chế độ bão hòa gần như tấtcả các phân tử kích thích góp phần để khuếch đại, bất kể vận tốc nào của nó, vì vậy

đỉnh và nhánh của đồ thị được khuếch đại như nhau Khi sử dụng đầy đủ mô hìnhba chiều, vấn đề là rất phức tạp.

Dịch chuyển Doppler của dòng maser trong một nhóm nguồn nhất định cóthể chứa đựng nhiều thông tin về chuyển động của các đám mây khí trong khu vực.Ví dụ như các thông tin có thể được sử dụng để ước tính khối lượng của vật thể ởtrung tâm Tuy nhiên, nghiên cứu maser bão hòa là một vấn đề khá phức tạp Hình3 là một ví dụ về vùng quang phổ (mô phỏng) hoạt động của maser bão hòa trongmột khu vực nơi mà các phương tiện laser di chuyển với một gradient vận tốckhông đổi Dao động đặc thù phát triển là một kết quả của sự bão hòa của khu vựcnhất định.

1.1.3 Điều kiện phát xạ maser

Điều kiện cần thiết cho maser phát xạ là phải có sẵn mật độ đảo ngược Phântử có thể được đưa lên trạng thái năng lượng cao hơn theo nhiều cách khác nhau,nhưng một số quá trình có xu hướng nhiệt hóa sự phân bố Các cơ chế chính là phátxạ và va chạm Với mật độ cao của bức xạ, đặc biệt là bức xạ nhiệt, các hạt đượcphân bố lại Tuy nhiên, hệ thống vật lý thiên văn mà chúng ta có thể quan sát trựctiếp là các dụng cụ quang học mỏng, cho phép bức xạ truyền qua mà không ảnhhưởng đến trạng thái cân bằng của các hạt, đó là cách quan sát các hệ vật lý thiênvăn thường xuyên trong trạng thái cân bằng nhiệt động lực học cục bộ nếu có, chứkhông phải là trạng thái cân bằng nhiệt động lực học đầy đủ Nhưng vấn đề đángquan tâm hơn là các va chạm có xu hướng nhiệt hóa sự phân bố mật độ các hạt.

Với mô hình maser đơn giản, có thể maser được nằm chìm trong môi trườngcủa các đám mây bụi được phân bố ở một vài nhiệt độ T (Đây là trường hợp bìnhthường trong các hệ vật lý thiên văn, nơi các loại maser được tạo ra do các hạthydro và heli được phân bố gián đoạn thành những vùng có kích thước nhỏ trongcác đám mây bụi rất lớn) Dựa vào mô hình hai trạng thái đơn giản, gọi C12 và C21

là tốc độ dịch chuyển do va chạm cảm ứng, giả sử tất cả các bức xạ thoát ra ngaylập tức, và bỏ qua trọng số thống kê Sau đó, tính toán chi tiết sự cân bằng cho ta

Từ (1) và (2) suy ra 1

Khi so sánh với phân bố Maxwell-Boltzmann, chúng ta kì vọng sự phân bốđược nhiệt hóa nếu C21 >> A21, có nghĩa là, chúng tôi hy vọng sự phân bố mật độcác hạt theo các định luật của nhiệt động lực học khi các va chạm chiếm ưu thế (Vìphát xạ tự phát là một yếu tố làm giảm nhiệt độ nên phân bố nhiệt cũng được kìvọng nếu các phát xạ tự phát không thoát được khỏi vùng maser) Với hiệu ứngchuyển động quay đặc trưng của phân tử hai nguyên tử, A ≈ 10-6 s-1, diện tích mặtcắt ngang là 10-15 cm2, vận tốc nhiệt sẽ là 105 cm/s, cho ta hệ số tỷ lệ va chạm là10-10 cm3/s Sau đó các va chạm sẽ chiếm ưu thế khi mật độ lớn hơn khoảng 104 cm-3 Đây là môi trường chân không rất khó tạo ra trong phòng thí nghiệm thiên văn,nhưng nó lại rất phổ biến trong môi trường giữa các ngôi sao Vì vậy, trong phòngthí nghiệm, các đám khí có xu hướng đạt trạng thái cân bằng nhiệt động, nhưngtrong môi trường giữa các ngôi sao thì nhiệt độ có thể bé hơn nhiều ngay cả khiđám khí đang ở trạng thái cân bằng.

Tất nhiên, ở trên chúng ta đang xét với các trường hợp đơn giản nên thực tếthì sự đảo ngược mật độ là chưa thể xẩy ra Tuy nhiên, sự va chạm là một thước đorất quan trọng để xác định mức độ cân bằng nhiệt động của hệ Trong các hệ thựctế thì vấn đề va chạm được dự đoán là còn phức tạp hơn nhiều

1.1.4 Các cơ chế bơm maser

Các thảo luận ở trên đã chưa đề cập đến câu hỏi làm thế nào để đưa các phântử chuyển lên trạng thái kích thích Điều này có thể thực hiện bằng cơ chế bơm cónguồn gốc của năng lượng tự do được laser phát ra Cơ chế bơm này rất phức tạp,các mức năng lượng được tạo ra nhờ quá trình chuyển đổi trạng thái của nhiều loại.Từ khi biết được maser là quá trình không cân bằng thì các phương trình cân bằngít được sử dụng, người ta phải dùng mô hình để theo dõi được tất cả các trường hợpcủa các loại quần thể có liên quan (cũng như tất cả các bức xạ ở các bước sóng cóliên quan) Việc nghiên cứu gặp khó khăn hơn bởi những thông tin chi tiết lại phụthuộc vào các quá trình va chạm và các quá trình hấp thụ lạ thường Ngay cả khicác mô hình đã được tính toán trước, thì mô hình nghiên cứu cũng chỉ cấp chochúng ta những dấu hiệu quan trọng của cơ chế bơm Sau đây chúng ta sẽ xét hoạtđộng của các cơ chế bơm trong maser vật lý thiên văn

Nguyên tắc hoạt động của bơm phát xạ đơn giản là: các loại maser hấp thụbức xạ tại một bước sóng, sau đó phân rã thông qua một chuỗi các quá trình chođến khi nó đạt đến một trạng thái mật độ đảo ngược Mô hình đơn giản nhất là mộthệ thống bốn mức (mô phỏng theo quá trình hoạt động hiệu quả nhất của lasertrong phòng thí nghiệm) Trong mô hình như vậy các loại maser có bốn mức (Cácmức được đặt theo thứ tự năng lượng tăng dần là từ mức 1 đến mức 4), sự phát xạtự phát 2 → 1 là nhanh hơn nhiều so với sự phát xạ tự phát 3 → 2, và trạng tháiphát xạ chủ yếu là từ trạng thái 4 đến trạng thái 3 Sự đảo ngược mật độ xảy ra giữacác trạng thái 3 và 2 vì phát xạ 3 → 2 gần như ngay lập tức sau khi phát xạ 2 → 1để cho mật độ lớn không bao giờ được tạo ra ở trạng thái 2 Quá trình bơm diễn rakhi một photon kích thích một nguyên tử từ trạng thái 1 đến trạng thái 4 Tất nhiên,nếu có bức xạ nhiệt nó sẽ thúc đẩy quá trình chuyển đổi không mong muốn như 1→ 2 và 3 → 4, tuy nhiên có nhiều trường hợp nguồn được chìm trong bức xạ phi

nhiệt Vì thực tế, người ta thường quan sát thấy quang phổ bức xạ và hấp thụ củakhí bụi ở vùng hồng ngoại chỉ phụ thuộc vào tần số của nó và khác xa với quangphổ của vật đen

Một thực tế quan trọng cần lưu ý về bơm bức xạ là số lượng của các photondo maser phát xạ không thể vượt quá số lượng photon phát ra bởi nguồn ở tần sốbơm Để có thể giải thích sự phát ánh sáng nhiệt độ cao của maser có thể dùngphép tính sau: Giả sử chúng ta có một nguồn bơm maser với nhiệt độ ánh sáng Tp,bơm photon được pha loãng bởi hệ số Wp, khi đó chuyển đổi photon maser có hiệusuất là η rồi cho phát vào một góc khối ΔΩm Do đó nhiệt độ độ trưng ánh sáng là

, vì trong thực tế ở phần Rayleigh-Jeans của quang phổ số lượngcác photon phát ra giảm xuống theo tần số, do đó ở tần số thấp hơn thì số lượngphoton tạo ra độ trưng ánh sáng cao hơn nhiều.

Maser cũng có thể được bơm va chạm với các quần thể khác nhau, ví dụ, cácelectron năng lượng cao, gió sao, hoặc sóng xung kích Độ sáng của maser như vậyđược hạn chế bởi năng lượng tự do có sẵn và điều kiện là không đầy đủ cho quátrình nhiệt hóa do va chạm Do đó việc thăm dò các tính chất của maser là khó khănhơn, chúng ta khó có thể thực hiện được một phép đo chính xác năng lượng bơm cósẵn bằng cách đo độ sáng của bức xạ bơm, nhưng vẫn có thể so sánh được sự tươngđương giữa năng lượng tự do có sẵn từ bơm va chạm với năng lượng tự do có sẵn

Cũng có khả năng maser được bơm bởi các quá trình hóa học Khi OH đượctạo ra trong ngọn lửa trong các phòng thí nghiệm trên mặt đất, nó tồn tại trongtrạng thái kích thích Quá trình tương tự có thể làm tăng sự đảo ngược mật độ trongcác môi trường vật lý thiên văn Quá trình này còn nhiều hạn chế hơn so với bơmva chạm và bơm tần số bức xạ Lấy OH làm ví dụ, ở trạng thái ổn định phải chăngsự phá hủy phân tử càng nhiều càng tạo ra nhiều OH Ở những nhiệt độ mà tại đómaser hoạt động, sự phá hủy hóa học bằng H hay H2 là không nhiều Tuy vậy,trong trạng thái maser ổn định, luôn có sự tàn phá thường xuyên của các phân tử dova chạm với hydro và do đó tạo ra OH, vì vậy nếu tất cả các cách bơm đều xảy ra,thì cách bơm chủ yếu là do va chạm Có thể lập luận tương tự cho các nguyên tốkhác Tuy nhiên, trạng thái ổn định không phải là cách duy nhất để hình thànhmaser Các khu vực hỗn loạn cao và rất nhiều chấn động mạnh trong vật lí thiênvăn, chúng đều cung cấp một lượng một năng lượng tự do đáng kể và hoàn toàn cókhả năng gây ra phát xạ maser.

1.1.5 So sánh phát xạ maser với laser

Về mặt hình thức, sự phát xạ maser tương tự như phát xạ laser: cả hai đều làkết quả của sự khuếch đại theo hàm mũ của tín hiệu bằng phát xạ kích thích Tuynhiên, nghiên cứu chi tiết thì chúng có sự khác nhau đáng kể.

Sự khác biệt thứ nhất là phổ phát xạ tự phát lớn hơn nhiều Nhớ lại rằng

phổ của các bức xạ của nguồn bơm Vì vậy, đề án bơm tia laser hợp lý giống nhưđề án bơm laser phòng thí nghiệm Bơm phát xạ có thể là do cộng hưởng ngẫunhiên tạo ra, trong đó phân bố bơm phi nhiệt là do sự sắp xếp ngẫu nhiên của tần sốbơm với dòng phát xạ của nhiều loại khác nhau.

Thứ ba là về quan trắc, laser cũng được dự kiến sẽ có những tính chất hơikhác so với maser Đặc biệt, với tần số bơm của laser là rất hiếm, dòng tia laserđược dự kiến là sẽ yếu hơn so với các vạch phát xạ.

1.2 Maser liên tục

Các maser được mô tả ở phần trước dựa trên phát xạ kích thích từ các trạngthái phân tử hoặc nguyên tử rời rạc Kể cả khi các bức xạ được quan sát trên mặtđất là không rõ ràng, thì tính chất đó rạch ròi đó vẫn đóng một vai trò rất quantrọng trong cơ chế bức xạ Thực tế là các photon được tạo ra bởi trạng thái phân tửhoặc nguyên tử có tần số nằm trong giới hạn từ vùng sóng vô tuyến cỡ 108 Hz đếncác tia tử ngoại cỡ 1016 Hz (bước sóng cỡ 1 m đến 10-8 m) Trong những quá trìnhnhất định dựa trên sự bức xạ của các điện tử tự do có thể tạo ra được các bức xạ cótần số trong khoảng từ 105 Hz đến 1018 Hz (bước sóng trong khoảng từ 103 m đến10-10 m)

Phát xạ vô tuyến trong thiên văn học có thể được chia thành 3 loại: phát xạnhiệt, phát xạ phi nhiệt và phát xạ kết hợp Nhiệt độ chói sáng của phát xạ nhiệtđược giới hạn bởi nhiệt độ của vật liệu nguồn, nhiệt độ chói sáng của phát xạ phinhiệt được giới hạn bởi năng lượng của mỗi hạt, bất kỳ phát xạ nào vượt quá cả haitrường hợp trên thì được gọi là phát xạ kết hợp Tên gọi của chúng là khá hợp lý, kểtừ khi phát xạ kết hợp được tạo ra bởi một số quá trình phát xạ thải tập thể.

1.2.1 Các cơ chế phát maser liên tục

Có một số cách mà bức xạ kết hợp có thể được tạo ra bởi năng lượng chuyển

năng lượng cao và từ trường mạnh bao quanh các vật nhỏ có thể làm tăng tần sốcủa chúng, có khả năng tạo thành các tia gamma.

Các loại cơ chế đơn giản nhất của phát xạ kết hợp có thể tưởng tượng là "ăngten phát xạ", nơi mà một chùm các hạt điện tích có kích thước nhỏ so với bướcsóng của chúng chuyển động cùng với nhau Biên độ của sóng do chúng tạo đượctăng lên do tính kết hợp và năng lượng phát ra được tăng lên gấp N lần so với nănglượng do mỗi hạt riêng lẻ phát ra Cơ chế như vậy đã được đề xuất, đặc biệt là đểgiải thích bức xạ pulsar, nhưng đã có những phản đối trước khi người ta tin rằngchúng cũng tồn tại trong môi trường vật lý thiên văn (dù rằng những gì chúng đãxảy ra trong một ăng-ten lưỡng cực trên mặt đất là hoàn toàn chính xác).

Có nhiều cơ chế cho các electron năng lượng cao tạo ra các bức xạ (nhưdùng các máy cyclotron, synchrotron, hiệu ứng Compton, Cerenkov …) Định luậtKirchoff nói rằng các quá trình này phải có một quá trình hấp thụ và một quá trìnhphát xạ kích thích tương ứng Quá trình phát xạ xạ kích thích về nguyên tắc có thểtạo ra chùm phát xạ kết hợp rất mạnh tương tự như quá trình chuyển tiếp của maserphân tử đã nói ở trên Sau đây chúng ta sẽ khảo sát một quá trình chi tiết và khá rõràng về phát xạ kết hợp đã được nghiên cứu, đó là phát xạ maser electron-cyclotron, và sau đó là nhận xét vắn tắt về một số cơ chế khác.

a) Phát xạ maser electron cyclotron

Khi một electron chuyển động trong một từ trường đều, theo một quỹ đạoxoắn ốc, tần số con quay hồi chuyển là g

Các bức xạ electron được tăng cường ở tần số con quay hồi chuyển (quátrình phát xạ) Khi sóng có tần số gần bằng (hoặc bằng) tần số con quay hồi chuyểnnó sẽ ảnh hưởng tới electron, tùy thuộc vào giai đoạn của electron trên quỹ đạo

xoắn ốc của nó, nó có thể nó lấy năng lượng từ sóng (quá trình hấp thụ) hoặc phátxạ năng lượng cho sóng (quá trình phát xạ kích thích).

Một tập hợp các electron với nhiều loại vận tốc sẽ thu được nhiều đườngxoắn ốc với những kích thước và vị trí khác nhau do đó bình thường bức xạ phát ralà rời rạc Tuy nhiên, nếu các electron được kết tụ trong không gian pha, có nghĩalà, vị trí của chúng và vận tốc là tương đương nhau, bức xạ kết hợp có thể được tạora.

Đây là mô tả cổ điển của máy bức xạ cyclotron, nhưng quá trình cơ họclượng tử cũng đã được đề cập đến, nếu các electron được giới hạn bởi điều kiện làchuyển động cắt ngang các đường sức từ theo phương vuông góc (để chúng chuyểnđộng theo quỹ đạo tròn): chuyển động trong một vòng tròn là chuyển động điều hòađơn giản, do đó, electron đã lượng tử hóa chính xác các mức năng lượng tương tựnhư những bộ dao động lượng tử điều hòa đơn giản Các mức này được gọi là cácmức Landau, mức Landau thứ n có năng lượng En g(n1/ 2).

Chúng ta có thể hiểu sự phát xạ cyclotron như sau: sự hấp thụ và phát xạkích thích như là một quá trình chuyển đổi giữa hai mức Landau Tuy nhiên, vì tấtcả các mức Landau là cách đều nhau, khi một photon phát xạ ra (một cách tự nhiênhay cách khác) thì có khả năng nâng mức Landau lên cao hơn cho bất kỳ điện tửnào, vì vậy nó có xác suất bị hấp thụ cao Về nguyên tắc để phát xạ kích thích xảyra đáng kể bất chấp quá trình hấp thụ, nó đòi hỏi một sự nghịch đảo mật độ rất caotại gần như tất cả các mức năng lượng của electron.

Sau khi kiểm tra, cần lưu ý các công thức được đưa ra ở trên cho các mứcLandau là phi tương đối tính Khi các electron gần với trạng thái tương đối tính,khoảng cách giữa các mức Landau trong thực tế bắt đầu trở nên không đồng đều,cho một electron với năng lượng γ, khoảng cách giữa các mức là 1

 Khi γ bắtđầu khác nhau thì sự hấp thụ mạnh mẽ các photon phát xạ bởi các electron khác bắt

đầu giảm dần (đặc biệt, chúng chủ yếu được hấp thụ bởi các electron có năng lượnggiống nhau) Đây là điều kiện quan trọng để tạo ra hệ kết hợp bằng cách cho phépnghịch đảo mật độ cục bộ trong không gian pha.

Làm thế nào để sự nghịch đảo mật độ có thể phát sinh? Trong hoàn cảnh này,với mức năng lượng có tính kết hợp cao, sự nghịch đảo mật độ chỉ đơn giản là quátrình phi nhiệt, phân bố đẳng hướng của các electron.

Để hiểu được làm thế nào phát xạ kết hợp có thể phát sinh trong một môitrường cổ điển, giả sử các electron phân bố một mức năng lượng được tiếp xúc vớimột làn sóng tại tần số con quay hồi chuyển Trong lượt đầu, các electron hoàn tấtmột vòng tròn kín và sóng cũng dao động được một chu kì Nếu điện trường củasóng là cùng pha với electron, electron sẽ được tăng tốc, nếu điện trường này lệchpha với electron thì electron sẽ bị chậm lại Tuy nhiên, vị trí của electron dọc theođường xoắn ốc của nó không phụ thuộc vào tốc độ của nó, chỉ có hướng và tần sốquay hồi chuyển của nó là phụ thuộc vào tốc độ Vì vậy, khi các electron phi tươngđối tính chuyển động trong từ trường, nó không làm thay đổi đáng kể phân bố củachúng Tuy nhiên, nếu các electron ở gần trạng thái tương đối tính, các electronđược gia tốc của trường nên khối lượng tăng một chút, do đó, tần số quay hồichuyển của nó giảm xuống; nó lại giảm nhẹ trong giai đoạn phía sau Các electronđược giảm tốc được đẩy về phía trước trong giai đoạn Vì vậy, một nhóm cácelectron phát triển xung quanh một pha mà các electron mức trung bình không cókhả năng tăng tốc.

Nhóm này phát xạ kết hợp, nhưng nó cũng hấp thụ năng lượng kết hợp từ cácbức xạ chiếu tới, do đó, không có bức xạ thuần túy Tuy nhiên, nếu các nhóm đivào 1 vùng có từ trường không đều, do đó bức xạ chiếu tới không được điều chỉnhtheo tần số quay hồi chuyển các của nhóm, các nhóm không còn có thể hấp thụnăng lượng từ sóng và phát ra năng lượng kết hợp của riêng nó.

Cơ chế này được sử dụng trong thiết bị gyrotron trên mặt đất, để tạo ra lò visóng năng lượng cao Nó có khả năng xử lý nhiều năng lượng hơn so với phản xạchủ yếu là bởi vì bước sóng không được trực tiếp kết nối với bất kỳ kích thước vậtlý, do đó, nó có thể hoạt động với một mật độ năng lượng thấp hơn bên trong vàtránh sự quá nhiệt của các thành phần Một tần số độc lập từ kích thước thực tế chophép nó hoạt động trong một loạt các môi trường vật lý thiên văn.

b) Phát xạ plasma

Trong các hệ thống vật lý thiên văn, tất nhiên, phân phối electron một mứcnăng lượng là rất hiếm Quá trình phát xạ kết hợp được hiểu như là một sự bất ổnđịnh sóng truyền trong plasma được phát triển tại các năng lượng chuyển động tựdo trong phân bố electron (nhất thiết phi nhiệt) Trong plasma, sự khác biệt giữacác sóng điện từ và sóng chuyển động được thay thế bằng một sự phân biệt giữacác chế độ khác nhau trong quá trình truyền sóng.

Trong plasma collisionless (trạng thái rất gần với plasma, tồn tại rất nhiềutrong vật lý thiên văn), một loạt các loại sóng khác nhau có thể lan truyền Nếuchuyển động nhiệt của các ion và electron là không đáng kể thì sóng lan truyền vớibiên độ không đổi (trong plasma đồng nhất) Khi chuyển động vi mô của cácelectron và các ion được được xét đến, tuy nhiên, những đợt sóng có thể trao đổinăng lượng với sự phân bố hạt Cụ thể hơn, các hạt cộng hưởng với những consóng, đó là, gần như phần còn lại các hạt là trong khung của sóng, có thể trao đổinăng lượng với những con sóng Hạt giảm nhẹ phía sau trong khung sóng được giatốc bởi làn sóng, nó nhận năng lượng từ đó và các hạt hơi nhanh hơn sóng chậm lại,truyền năng lượng cho sóng Quá trình này trước đây được gọi là "giảm xócLandau ", và sau này được gọi là "nghịch đảo giảm xóc Landau " Nếu phân bố vậntốc của các hạt đặt các hạt hơi cao hơn tốc độ cộng hưởng một chút, làn sóng có thể

vậy làn sóng phát triển theo cấp số nhân Tất nhiên, có một loạt các quá trình phituyến phục vụ để hạn chế biên độ, bao gồm cả sự suy giảm của phân bố phi nhiệt.

Có một loạt các điều kiện theo đó các hạt có thể cộng hưởng với sóngplasma, thường có tên gọi khác nhau Các maser electron-cyclotron không ổn địnhlà một trong những kết quả đặc biệt, là tập hợp của các hạt cộng hưởng với sóngnhất định trên một hình elip trong không gian pha:  k lce

   trong đó k làvector sóng, v là vận tốc electron, ω là tần số sóng, “” cho biết thành phần songsong với từ trường, và ωce là tần số cyclotron electron Sự lựa chọn phù hợp củavectơ sóng k có thể xác vị trí ellip để giải nén một lượng lớn năng lượng phân bốkhông đồng nhất, vấn đề sẽ được bàn luận sau đây Một sự bất ổn định plasma là sựbất ổn Cerenkov, nơi các hạt cộng hưởng có chung một vận tốc tuyến tính thôngthường phù hợp với vận tốc pha của sóng, rõ ràng điều này chỉ có thể nếu pha vậntốc nhỏ hơn c và hạt đang chuyển động ở một góc của nón Cerenkov dọc theovector sóng.

Dao động plasma không nhất thiết phải cặp đôi để chúng ta có thể quan sátkhông gian tự do của các sóng điện từ Hơn nữa, có sự không chắc chắn như nhữngphân bố phi nhiệt dị hướng làm tăng lượng phát xạ kết hợp quan sát được

Đề xuất được nghiên cứu rộng rãi cho việc phát triển phân bố dị hướng làphân bố "mất hình nón" Khi dòng từ trường hội tụ, các hạt xoắn ốc dọc theo đườngsức từ có xu hướng được phản xạ trở lại, miễn là góc xoắn của chúng không quánhỏ Vì vậy, một từ trường đồng nhất giữa hai nhóm có xu hướng chứa các electronphân bố không đồng nhất gọi là "chai từ trường"( magnetic bottle) Với sự bất ổnđịnh maser electron-cyclotron, các thiết lập của các điện tử cộng hưởng nằm trênmột ellipsoid trong không gian pha, do đó, sóng có thể được khuếch đại choellipsoid liên kết với các cạnh của hình nón bị mất.

Một mô hình thay thế cho các thế hệ phân bố không đẳng hướng có khả năngtạo ra sự bất ổn plasma chính là mô hình "vành đai lớp vỏ maser" (“ring-shellmaser”) Khi khu vực electron cục bộ phù hợp với từ trường, điện tử có thể đượctăng tốc đáng kể Phân bố kết quả trong không gian vận tốc có xu hướng là một cáivỏ rỗng, do đó khả năng tạo ra sự bất ổn định thông qua cơ chế electron-cyclotronlà rất hiệu quả.

May mắn cho các nghiên cứu về bức xạ plasma, những bất ổn này xảy ra ởcực quang của Trái đất, nơi chúng có thể được thăm dò trực tiếp ngay bên trongkhối maser khi sử dụng vệ tinh như FAST và Viking Thụy Điển Quan trắc chothấy có khả năng từ trường liên kết giảm phục vụ để tăng tốc các electron vào trongphân bố "vỏ" vận tốc, và đó cũng là một cơ chế mà lỗ hình nón làm việc Các thếhệ làn sóng xuất hiện xảy ra ở khoang mật độ thấp, và các phương tiện mà sóngthoát khỏi để bức xạ vào không gian tự do xuất hiện khá phức tạp.

Một trong những thuộc tính quan trọng của sự phát triển sóng là khoảng thờigian bơm thường lâu hơn đáng kể so với thời gian phát triển của những đợt sóng.Các cơ chế bơm hoạt động ổn định để tạo ra nghịch đảo dân cư Các đảo ngượccàng trở nên không ổn định khi chúng phát triển, cho đến lúc được kích hoạt Sauđó chúng phát ra một vụ nổ ngắn cường độ cao của bức xạ kết hợp, tiêu tán nănglượng tự do (một phần là bức xạ kết hợp và một phần là các cơ chế phát xạ khác).Tác giả ví như sự tương của việc các hạt chảy thành một đống Cái đống phát triểntheo bậc thang rời rạc, trung bình các mức nằm ở giới hạn của sự ổn định Quan sátcác bức xạ cực quang cỡ kilomet và deximet của Mộc Tinh cho thấy vụ nổ ngắnvới băng tần rất hẹp, và thời gian chúng phân bố năng lượng phù hợp với nhữngđặc tính của hệ thống ổn định là ngắn Các phép đo tại chỗ nói lên rằng bức xạ cóxu hướng đến từ những khối nhỏ đóng vai trò như "bộ tản nhiệt nhỏ" tạo ra nhữngvụ nổ ngắn với bức xạ hẹp Chúng ta cần nhiều dữ liệu hơn để hiểu được cơ chế

1.2.2 Các nguồn phát xạ maser liên tục trong vũ trụ

Mặc dù pulsar đã được biết đến khá lâu, cơ chế cơ bản của bức xạ trong dảitần số vô tuyến vẫn còn bí ẩn Trong hầu hết các trường hợp nguồn năng lượng củanó cũng được tìm hiểu, cuối cùng spin từ chuyển xuống, bồi đắp dần, hoặc (trongtrường hợp của nam châm) phân rã của từ trường, nhưng những quá trình thực tếnăng lượng của bức xạ vô tuyến được phát ra vẫn còn nhiều điều chưa được làm rõ.Pulsar có nhiệt độ chói sáng rất cao (1025-1028K), điều đó gần như chắcchắn khẳng định rằng bức xạ của nó là bức xạ kết hợp như đã nói ở trên (bởi vìnhiệt độ chói sáng chắc chắn vượt quá năng lượng do bất kì hạt nào phát ra) Tuynhiên, cơ chế thực tế tạo ra bức xạ đó là không rõ ràng, mô hình ăng-ten đã được đềxuất, cũng như các đề án nghiên cứu sự bất ổn định plasma (ví dụ, độ cong phát xạkết hợp) Vì thực tế những hiểu biết của chúng ta về cấu trúc của pulsar là đang cònu ám nên các cách giải thích là chưa thật sự thuyết phục Hơn nữa, vì có những thayđổi đáng kể trong pulsar sẽ không được phản ánh trong phát xạ, nên bất kì cơ chếnào được sử dụng phải nhạy cảm với sức mạnh tổng thể hoặc cấu trúc chi tiết củatừ trường.

Một số thông tin được biết về điều kiện gần một pulsar Đó là một ẩn tinh cótừ quyển chứa đầy plasma của cặp electron-positron tương đối tính, nhưng các chitiết như mức độ xoắn của đường sức từ, số lượng và tính chất của dòng chảyplasma là không hoàn toàn rõ ràng Hạt thông thường xoắn ốc xung quanh cácđường sức, nhưng trong từ quyển của pulsar chúng phân hủy rất nhanh (bằng cáchphát xạ synchrotron) đến mức Landau thấp nhất, điểm mà tại đó chuyển động củachúng hoàn toàn dọc theo các đường sức.