Maser thiên nhiên xuất phát từ những phân tử trong những tinh vân của dải
Ngân hà. Tinh vân là những đám khí nguyên tử và phân tử có cả bụi và những ngôi sao sáng trưng. Phân tử là một tập hợp nguyên tử trong đó những nguyên tử có thể
coi là gắn với nhau bằng những lò xo vô hình. Khi phân tử dao động hoặc quay
xung quanh những trục của phân tử thì phát ra những bức xạ trên bước sóng hồng
ngoại và vô tuyến. Phân tử trong tinh vân được bơm lên những mức năng lượng cao
bởi photon của những ngôi sao và của bụi để phát ra bức xạ maser.
Những bức xạ maser xuất phát từ môi trường xung quanh những ngôi sao còn
non, đang được hình thành và những ngôi sao đang hấp hối, hoặc đã nổ tung. Môi trường này là nơi tập trung của khí và bụị Bức xạ hồng ngoại của sao và bụi kích
thích các phân tử trong vỏ sao lên những mức năng lượng caọ Sau đó, các phân
tử lại rơi xuống mức năng lượng cơ bản (thấp nhất). Những photon, chủ yếu là photon hồng ngoại phát ra bởi những ngôi sao và những hạt bụi, hay sự va chạm
Những vạch maser mạnh nhất phát ra từ những thiên thể là những vạch maser oxyd silic (SiO), hơi nước (H2O), hydroxyle (OH).
Trong phòng thí nghiệm, các nhà vật lý sử dụng nhiều “thủ thuật” để bơm dân
số nguyên tử lên những mức năng lượng caọ Chẳng hạn họ dùng một tia ánh sáng để bơm nguyên tử lên những mức năng lượng rất caọ Từ đây nguyên tử dần dần tự rơi xuống những mức năng lượng dưới qua cơ chế tự phát bức xạ và tạm đọng lại ở
một mức năng lượng m nào đó, gọi là mức nửa bền vững (metastable state). 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.
Phổ của phân tử OH:
Hình 4.9. Phổ của phân tử OH phát ra bởi thiên hà Messier 82 trên tần số 1667 MHz (bước sóng 18 centimet). Bức xạ maser xuất hiện dưới dạng một đỉnh rất hẹp
(phía bên trái) trong phổ. Trục tung là cường độ của bức xạ. Trục hoành là tần số
Dùng phổ kế của vệ tinh ISO, các nhà thiên văn phát hiện được bức xạ hồng
ngoại trên bước sóng 34,6 µm. Những photon 34,6 µm bơm bức xạ vô tuyến maser
1612 MHz của phân tử hydroxyle (OH). Đây là lần đầu tiên, cơ chế bơm bức xạ maser OH được phát hiện bằng một cuộc thí nghiệm thiên văn.
Hình 4.10. Chu trình "bơm" bức xạ maser của phân tử OH trên tần số 1612 MHz. Các nhà thiên văn dùng phổ kế đặt trên vệ tinh ISO quan sát được
trong vỏ của ngôi sao IRC 10420, một số vạch phổ hồng ngoại của phân
tử OH. Những mũi tên chỉ những dịch chuyển của phân tử từ mức năng lượng này đến mức năng lượng kia, tương ứng với những vạch phổ.
Những con số chỉ bước sóng của những vạch bằng đơn vị micromet. Đáng chú ý là vạch 34,63 µm (đường không liên tục thẫm nhất trong
hình. Kết quả quan sát ISO xác định là photon của vạch hồng ngoại 34,63 µm bị hấp thụ bởi vỏ ngôi sao và bơm những phân tử OH lên những mức năng lượng caọ Khi rơi xuống những mức năng lượng thấp,
những phân tử phát ra bức xạ maser trên tần số 1612 MHz, ở mức năng
lượng quay cơ bản 3 2 2 V v
(Sylvester, Barlow, Nguyễn Quang Riệu
và cộng sự, 1997)