Статистическая электродинамика космических мазеров тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

«в 4

г \ л»Щ9Ц

академия наук туркменистана физико-технический институт

На правах рукописи

удк 523.1843; 532.17; 623.373 ; 539.184

ишанкулиев Довлетяр

СТАТ И СТИ Ч ЕСКАЯ ЭЛЕКТРОД И НАМ И КА КОСМИЧЕСКИХ МАЗЕРОВ

(01,03.02 астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

АшгАбат -

1993

Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

;октор физико-математических наук ¿октор физико-математических наук

Мухакетиазаров С. /й, Шелешш Л А. Шёкннов Ю. А.

Ведущая организация:

Радиоастрономический институт АН Украины (г. Харьков) Защита состоится » 1994 г.

Защита состоится

1994 г. с

часов на заседании Специализированного совета по защите дпсссртациГ ¡¡а соискание ученой степени доктора физико-математических паук. прь Физико-техническом институте АН Туркменистана (744000, г. Ашгабат ул. Гоголя 15).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной бнблио тске АН Туркменистана.

Автореферат разослан > 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор физико-математических наук член АНТ

С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Основная часть наблюдаемой в настопте время Вселенной представляет собой неравновесную среду, в которой возникают и распространяются различные вида излучений и частиц. Открытие в середине шестидесятых годов интересного класса мазерша радиоисточников положило начало новому направления- астрофизических исследований - исследовании возникновения интенсивного неравновесного линейчатого радиоизлучения в космической среде. . -.

Актуальность изучения феномена космического мазера связана как с позиций астрофизических исследований, так и общефизических, с позиция астрофизики важность всестороннего изучения косшческих мазеров определяется уникальностью источника информации об активны* областях звездообразования во ' Вселенной» так, как выявление условий, в которих возникает мазерное излучение, имеет-отношение к таким актуальным задачам, как определение путей зволэции межзвездной среда. С точки зрения общефизических исследований космический мазер как ' явление представляет собой задачу возникновения я эволюции электромагнитного 'излучения в пространственно трехмерной неравновесной*, двухуровневой квантовбй системе, в которой могут возникать различные пространственно временяне диссипашзпые структуры.процессы самоорганизации и т. п.

Для развития радиоастрономических исследований- на современном этане характерен сдвиг наблвдателышх усилий в направления достижения более высоких пространственных разреиений и способность чувствовать' предельно слабые источника. К настояаему времени радиоизобрагання по разрешению в тысячу раз превосходят оптические изображения. Это происходит , благодаря применения радио:-штер1й-рометров со свэрхдлинной базой (РСДБ). Это в нзрвув очередь связана с доепшяияки- в области- набладзтельной радиоастрономии, т. к. использование РСДБ позволяет.существенно повысить • разрешение, чей саккн представляет вэзмокность исследовать отдельные гнезда актшшостн межзвездной среда. С другой сторозн, к язстоя-щену времени достигну? прогресс в понимании. многих теорвтачесюк щвдахяалок в -шхшгйкз возгшкновешвд игзерзого. яЕЗДучеаия. здесь кш> 'отнзтать, что открытке - ко'шпесках газерс-в практически сошзло с. создзнЯуМ лабораторных лазеров и мазеров и бурнет немгдовахнгм воэркаоведа. когерентного 'изяучезши Совместное деЗствае этах- двух факторов -лзлоет ясследовагаэ коодаеяегг кззфзз в' зостояЕво среня яезЗолза шадшхзрш 2 гзтуаяьшя.

Для того, чтобы правильно интерпретировать наблвдвемые астрономические данные и предсказывать возможные результаты будущих нвблвдений, необходимо более глубокое понимание существа процессов образования и распространения излучения космических мазеров", чем то, которое достигнуто сейчас. Теоретические исследования могут стать важным средством вскрытая и изучения новых особенностей в излучении космических мазеров. Поэтому, в определенной • степени, изучение феномена возникновения и эволвдии излучения космического мвзера определяется не только возможностью уточнения Физического состояния межзвездной среда, но и способность!) глубже Понять закономерности специфических процессов самоорганизации, протекающих в неравновесной, молекулярной космической среде.

Настоящая диссертация посвящена теоретическому исследованию возникновения пространственно-временных когерентных и других свойств, излучения космических мазеров в различных возможных реаамах излучения, С начала установления мазерной природа (Шкловский, 1966; Литвак и др., 1966; Перкинс и др., 1366) после открытия радиоисточников ОН в 1965 года во многих теоретических работах делались попытки объяснить наблюдаемую статистическу», спектральнув и поляризационную картину излучения космических мазеров. Однако следует признать, что проблема эволюции спектра и механизма возникновения поляризации, а ■ также других свойств мазерного излучения до сих дар окончательно'не решена. В связи с этим уместно привести слова П.ГодцреЙха и Д.Килей 41972), сказанные об обычно используемой усилительной модели космического мазера: "Степень приближенности уравнений (I) и (2)*" остается неизвестной, ад справедливость зависит от стэтистческих свойств поля. Эти уравнения не учитывают эффектов квантовой когерентности, которые в космических мазерах могут быть существенны." Хотя к настоящему времени достигнуто определенное понимание .ряда эффектов, наблюдаемых в излучении космического мазера, тем нэ •менее, в эти! направлении • необходимы более детальные экспериментальные и теоретические работы. . Действительно, статистические свойства поля излучения, взаимодействующего с ансамблем двухуровневых молекул (атомов) хорошо изучены, когда

* Имеется в виду так называемые скоростные уравнения для интенсивности мазерного излучения и разности наседешостей , активных молекул.

неравновесная среда находится в резонаторе, и чаще всого, когда возбуждается одна мода. В космических мазерах в режима генерации картина явления сильно осложнена из-за отсутствия резонатора» возможности возбуждения большого числа пространственных код, в такхе многообразия физических условий и изменения параметров, определяющих динамику режима излучения. Поэтому предстоит . еда провести достаточно большое число теоретических исследований, чтобы учесть все многообразие возможных процессов в неравновесной молекулярной космической среде. Конкретное подтверздение этому . -наблюдаемые в последнее время мощные ^О-космиеские мазери, проявляйте аномальные своЗства в характеристиках радиоизлучения.

Отсутствие единого фундаментального подхода и специфичности теоретических расчетов, свойственных статистической квантовой физике и нелинейной оптике, не дают возможности астрофизикам, не связанным с последними достижениями в данной области, использовать имэщнэся теоретические метода. Вследствин этого возникла необходимость полного анализа теоретических механизмов возникновения ■ и эволщш! космического мазерного излучения. Это дает' возможтосТь понять, насколько необходимо использовать ■ более современных методов теоретической физики при интерпретации последних наблюдательных дашшх по-мощным вспышочным космическим мазерам.

Поль работ». Целы) работы являотся развитие теория и методов исследования эволюции волнових неустоагс гостей в неравновесной среде космических мазеров с целью едшшого описания многих наблюдавшихся ранее и в последнее время характеристик космических мэзерных источняксз.в особенности мощннх вспышочних ^0-мззеров.

Научная новизна работа: ' •

1.Разработан обгщй подход к построетт статистической электродинамики. з различная возмогши регаиах излучения неравновесной геывкущяой космической среда .

2.йсся?довавз дояолшпгелышэ простраяствеяш-времешгйз когерентные свойства и связашаго с ними , статистические, снектральЕна и поляризационные характеристика космячэского мэзерпого излучения в усилительном рэетде излучения.

3.Кайлен новнй подход к нсслэдоватш. зволвцяа волновых неустойчгпостэй в пространственно-^ограниченной неравновесно" космической- .молекулярной среде. Исследован процесс возпнхяоеэпал фазового перехода в излучения -космяческшс мазеров.

•4.15аявлепи осношше Яазичсскпэ параметра, хзрятгеразукшз

- б -

процесс'изменения режима излучения {усшштельшй, генераторный), определены, условия возникновения режима генерации и уравнения, описывающие ..этот режим. Исследованы некоторые статистические, спектральные и поляризационные свойства космического мазерного излучения - в режиме генерации. Анализ, многообразных возможных условна в неравновесной космической среде и влияние их на возникновений режима генерации. :

Основана положешят вшюсише на завдту:

I".■. Единнай' подход при описании возникновения волновых неустойчивостей в трехмерной двухуровневой молекулярной среда космических мазеров. Установление критериев когда неравновесная ' среда космических мазеров макет излучать в режиме усилителя ' и режиме генерации.

' 2; Дальнейшее исследование, с учетом нелинейных и дифракционных .зйектов» -усилительного .режма в космических мазерах. Выявление пространствешо-времешшх когерентных свойств в этом режые. Рассмотрение, различных -радаацяошо-данамич&ских эффектов' и механизмы вбзникновгния -поляризации в усилительном роаима.

3. Формулировка электродинамической задачи излучения космических мазеров как •црострааствешю-ограютонного источника излучения. Теоретическое исследование возможности возкакшвдвия в пространств еш -огравич от юй неравновесной среде космических мазеров фазового перехода, переводящего его 'из усилительного в генераторный режим ■ излучения, ; определение основша параметров, характеризуй®* юдефша шрэход. Исследование _шаможних статистических-и поляризационных свойств космического мазерного излучения- в ■ генераторном' регат.

4. Анализ: многообразия возжаашх усяшяа в неравновесной космической.среде, с цельа определена дутой реализации возможных Еотьей-развития рьзгш генерации (поляркуошой и электромагнитной) Разработка конкретных моделей' кокшест "позорных источников рехима генерадщ. .Выявление.возможности реализации в косшческих мазерах рзаяма дшамичоского хаоса. . ...

Достоверность-рйзультатовЛ1ос1здзрцость результатов, полученных в дассерггадш,; обеспечивается использованием . современных методов теоретического анализа, шборзы адекватного математического аппарата,-строгой обоснованности приближений и допущений. Свидетельством достоверности также служат иеяротяворечиз ранее • известным теоретическим результатам и тем,что полученные соогаоше-

ния и выводи согласуются или не противоречат наблюдательным 'данным.

Научная и практическая ценность. Научная и практическая ценность проведенного исследования состоит как в плане построеши общей статистической электродинамики излучения неравновесной межзвездной молекулярной среда, так и в объяснении имевдихся наблвдатслышх данных по космическим мазерам, в особенности, по . мощным вепшечным Н20. В итоге полученные в диссертации вывода имеют астрофизическое и обцефнзическоэ значение. Использованные • подхода ц результаты могут бить применены при определении режимов излучения в безрезонаторннх лабораторных неравновесных двухуровневых квантовых средах и объяснении шжуляршх процессов излучения в различных астрофизических источниках.

Апробация работ». Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на симпозиумах: По да!рякции и распространения волн (Винница, сдз-ю, 1990); 100 лет теории переноса излучения (С-Пзтербург, 19Э0); По радиационной плвзмодянамике (Кацеволи, 1991); но. конференциях: ДиИоршщиальпыо уравнения и их приложения (Ашгабат, I98G); .Физика и состав икгзвездаой среда (Торуиь, 1990) ; По распространении радиоволн (Харьков, 1990): Актуалышо проблемы физики твердого тела и радиофизики (Ашгабат, 1991) i Астрофизика сегодня (Н-НовгороД, 1991); Флуктуецяогошо явлепия в фтончееппе системах (Паланга, 1991); Физика и конверсия (Калининград,, 1991')'; Актуальные'проблемы Фундаментальных наук (Шсквз, 1Э91); По галактической и внегалактической радиоастрономии (Ашгабат, I39I-); из семинарах: Актуальные проблемы астрофизики (Владикавказ, 1990); Физика мзжзвоздпой'среди (Москва, 1990,1991); Неллнойныо- явления п сложил; ' системах (Ново-Полоцк, 1992); Кз Астрономическом съезде (Москва, 1991); На совещаниях: Поляриметрические методы в астрофизике (Пулково,

1990); Релятивистская астрофизика и коаюлогия (Гжстлй Архнз,

1991); В рзмках Школ: Стохастические колебания в радиофязико и электроника (Саратов, 1991); Современные проблемы лазерной физики (Москва, 1991), а такая на научных семинарах отдела рздиоастроно.'ви ГАШ ЮТ, Московского астрофизического семинара, секипгрз АКЦ ®1АН, на кафедра теоретической физики п кгфодро астрофизика н астроло?«ия !,{ГУ ян. М.В.Ломоносова.

Осношио результата опубликованы в вяло статей в гуразлах, трудах ков1йрош|аа, сжтозауков. . и семжиров. Перечень ояубяшеоввншя работ приводится в конца автореферата.

- 8 - .

Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав,Заклотепия, трех Приложений и списка цитированной 'литературы. . Работа содержит 238 страниц, список литературы включает 251 наименований.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ ,

Введение. Во введении обосновывается актуальность теоретотеских ■ исследований - нойте скях мазеров. сформулированы основнйе-Цей дассертащш,-; резу^тато,,. виносшше на защиту, а ■ такш дается: оцёжа^яа^юй-; ^ ценности получешшх

' результатов» пршодастся перечень, анробащс! основных результатов на

ПеЫая- глава'* посвящена; 'анализу.. основных нгблвдателышх характеристик коскиеско^.назьрнрго излучения, их астрофизической ша1орналшноста,*. -вбкюмизс-^ачвайх механизмов шс возникновения и ■ уровня ' ;удрвл&твррит9№!1оста. -различных моделей описания нзблвдаекш: свойств йазернагб из^гучешш и вклачает в себя обзор основной 1И№адейся штергтурц 'по. цобдэдате.шш данным и ' шхтсрпретих'удщн' ~}й' .рантам, оурершт совремошюь .состояние рззштаешх; в'дассертацш1;11|х>бле.м.- Причем,' ..иэлоксияе этой глава разбита ';на ".'дав-' часй:- - (§Г/; и 52 .), \ соответствуваию охшсыш» xapfficrspácm йз^сШ! .Ьй^^'-крсдаческих. мазеров . к имевдасся моделей - их- описания,'и -. мэдшм' всгшаечшм мазерам, проявляадам покулярше. свойства; -,В результате .не'ршй' параграф этой главы диссертации пооз'лцён ¿зализу'.' основных .наблюдательных дашшх но естествашш космическим* мазерам и шявлошш различных параметров ¡лазерного зкзлучепяяу .несущих а; ..себе основнуа .иц^ормацдо об излучателем. ого кослаческоя' объекте н 'хребузтео:' в дальшйасм теоретячзского' ссаярпонши' Содержншз вгого параграф иозьоляет выявить основные, задачи" (а имешю, исследование статискгческих, 'спектральных и поляризациогсш свойств излучения). продставлящао главный интерес п исслэдошskí характерней«. излучении космических каз&ров, которые ".в jmbttéJteo'M будут предметам'. теоретического исследования. -Второй параграф полностью посзмц&я.ющамя веишечгш мазерам, проблемам, воз1ш:аэдзм ври эдтерпретацяк ах излучения, и возьюаш путям их преодоленая.,' .

Вторая глава посвящена ясследовагога' вознигдше.нпя и эволэдни волновых тоустойчиврстоа в неравновесной двухуровневой среде,

; ; / - 9 -

основам взаимодоЯствия 'электромагнитных волн с . активной молекулярной космической средой. Рассмотрение ведется , в, так называемом, приближении двухуровневого атома (молекулы). Анализируется механизмы излучения среда с инвертированными молекулами, конвективный резям излучения, абсолютный режим (возникновение фазового перехода) и др. процесса распространения мазерноГо ■ излучения в пространственно бесконечной активной космической среде. Рассмотрение носит общий характер и не ограничивается какой-либо конкретной выделенной атомной или молекулярной системой. И поэтому может иметь широкую область применимости. .

3 Я этой главы ставится задача выявления условий к режима возникновения мазерного излучения с. точки зрения статистической электродинамики, так кок традиционное рассмотрение теории космических мазеров ведется с астрофизический позиций. При атом-основное значение придается исследованию их связи с динамикой астрофизической среда, их роли.в получения информации о мегапейд-ной среде и т. д. Поэтому теория образования .и распространения космического мазерного излучения должна составлять в себе многие современные метода и достижения Зязикй и' пстрсфтзжи. Во-первых, это связано с тем ,что исторически и практически основные работа' по использовании индуцированных процессов усиления излучения ' в квантовых двухуровневых средах относятся к лабораторным лззерзм • я мазерам. Во-вторых, интенсивно изучаемая в'н'астопЕес время теория процессов самоорганизации и развития различных динамических волновых, в том числе /и хаотических процессов, выделилась в отдельное, чрезвычайно интересное направление синергетику"0.

В результате космические ' мазера, как: Физический фономон. представляют по меньший .если не больший, интерес и .могут привлечь внимание многих исследователей, как отдельное, .■ чрезвычайно шгересдае физическое явление. Это связано также с тем, что при построении теории космических мазеров возникает ряд отлктатольшх по сравнению с лаборатория« лазерами и мазерам проблем. К пх числу в первую очередь следует отнести отсутствие резонатора и трехмерность области назерпого излучения, многообразно и поо-прэдолопность физических параметров неравновесной области п т. д.

Теряет синергетике возник от греческого слова .супегзо!а ! -совместное илп кооперативное действие и введен в оЗрэшешю Г.Хпкепом.

В. связи с этим представляется вашим рассмотреть их теории с точки зрения чисто физического явления, с учетом всех возможных 'специфгческих волновых процессов, происходящих в неравновесной двухуровневой среде. Проблема создания общей (статистической) теюряй естественных.космических мазеров приобретает все большуэ актуальность в связи с наблюдением мощных космических мазеров. Из-за отсутствия такой статистической теории возникновения

■ электромагнитного излучения космических мазеров (исходящей из основополагающих положений статистической Физики и взаимодействия этого излучения с космической средой) в настоящее время нет возможности полностью правильно судить о характере возникновения и распространения мазерного излучения. Основным подходом при интерпретации наблюдаемого является усилительный механизм, и при этом ко всему применяется приближенные методы» основашше на скоростных уравнениях; эти уравпения на учитывают возникновения кооперативных когерентных эффектов при самосогласованном взаимодействия излучения с активными молекулами. Результаты, полученные на основа этих уравнений, даат возможность только систематизировать к согласовать определенные радяоастроюшксские данные, частично объяснить некоторые наблздаомые их свойства.

"Во .втором параграфе определяется, что' для последовательного анализа возможных реаздав излучения космических мазеров и их статистических свойств требуется исследовать самосогласованнуо систему уравнений Максвелла дош электромагнитного поля и систему квантовых' уравнений дйя матрицы плотности активных молекул. Так, что эволщая электромагнитных волновых неустойчивостей в неравновесной двухуровневой среде в рамках классической электромагнитной теории определяется основополагающей системой уравнений для высокочастотных электрических и магнитных полей.' В результате показано, что с математической точки зрения получешше уравнения представляет собой систему нелинейных стохастических днЭДеренци-•альных уравнений в частных производных. Подобные системы встречаются довольно'часто в различных зздачах, связанных с образованием диссшгатшзтк структур и процессов Сс«/-организации, и в настоящее время являвтея предметом пристального исследования многих ученых.

Хотя эти основные дайерешиальные уравнения имзат вторые производные (что усложняет их анализ), однако, после их упрощения можно перейти к уравнениям с первыми 'производными по времени, в

■ результате получена следущзя, представленная в обобщенной вектор-

ной форме система уравнений

К! = Ii(V(r,t),v.r.t> . •

где V - вектор, описывающий состояние системы и зависящий от пространственных координат и времени, в рассматриваемой работе этот вектор имеет следующие компоненты V = СЕ,Р,iff), соответствующе электрическому полю, плотности поляризации и разности населенностей; If- нелинейная функция вектора состояния и его производных, также параметров неравновосности а . изменение которого может приводить к изменению состояния всей системы.

В двухуровневой среде, находящейся в неравновесном состоянии, возникает условия возбуждения волновых колебаний. Волновые неустойчивости, в присутствии спонтанного случайного излученкя могут приобретать определенные когерентные свойства. Статистические и спектральные свойства волновых неустойчивостей-зависят от уровня неравновеспости среды, режима усиления, от влияния граничных условий и т. д. В настоящее время в различных областях современной физики - физике- олемептзрпых частиц, физике плазмы, нелинейной оптике и статистической радиофизике, акустике, физике твердого тела и др. интенсивно'разрабатываются основы об^ей коллективной динамика ( я том числе и электродинамики) неравновесных сред. Поэтому 53 второй главы посвящен основам возникновения волновых неустойчиБостой в неравновесной двухуровневой среде, 'к числу которых и относится активная среда космических мазеров. Ранее при построении теории космических мазеров не было единого последовательного подхода в анализе ¡лазерного излучения. Это не позволило не только взглянуть одшшм образом яэ процесс возникновения и эволюции излучения п неравновесной космячоск&З среде, по и не давало возможности исследовать ряд новых зМоктов и явлений, паблидаешх в некоторых космических ¡лазерных источниках. В этом ZB параграфе анализируется природа возникающих волновых неустойчивостей на различных этапах неравновеспости, определяется условия возникновения различных волновых нэустойчивостеЯ.

В §4 исследуется возможная природа волновых пеустойчивостей в в перавяовэсЕой двухуровневой среде с распределенными параметрами в тех или mux условиях. По .• своего характеру всо типы пеустаЗчквостой подраздзллат па два вида:абсолютные и конвективные. Поэтому волновав неустойчивости, в неравновесной . двухуровневой сродз могут вмзть как копвектшзпуэ, так и абсолютную природу. Причем; шшоктшшо неустойчивая система могет быть усилителзм, а

абсолютно неустойчивая система - генератором. В исследует» аама задаче этот вопрос имеет принципиальный характер, т.к. определяет мнотае свойства возникших эдектромагнитшх шлей. Так что изучение условий, ори которых неравновесная среда космических мазеров является неустойчивой, и установление характера этой неустойчивости имеет важное значение. В атом параграфа показано, что в Оезогравдченной неравновесной мазерной среде могут развиваться •волновые неустойчивости как конвективного, так и абсолютного характера! Возникновение конвективного режима излучения в условиях отсутствия четко выраженных границ неравновесной области излучения в космической среде " является, . по всей видимости. наиболее распространенным. Отмечено, что необходимым условием возникновения абсолютной волновой неустойчивости (нарастания колебаний во всех точках-активной области) является условие ш"> 0 (ш = ы' + комплекснзя .частота возникающей волны). В случае, если и;в< 0, то при наличии неравновесности в системе реализуется конвективная неустойчивость. Указано;, что этот тип неустойчивости соответствует обычному режиму мазерного усиления с инкрементом;

, 42г1

1т к = к" с"1 ( + ^ ----5-----я- )

- ' ■ 4 Ни - и0Г + 1^3-

В этих условиях в зависимости ог юличшш цакачкд ( то есть и|) до порога возникновения абсододой неустойчивостипроисходит усиление излучения.по_ мере- распространения в среде. В условиях космических мазеров характер неустойчивости сильно зависит от наличия границ активной- области и отличия диэлектрических характеристик излучгадей области от окрухавдега пространства. Определено, что дгжз в бесконечной срвде из-за возможного сильного затухания волн только, при определенных 'случаях создаются условия для перехода от конвективного , (усилительного) режима. к абсолютному (генераторному). Отмечено, что,теория аволзши казераого излучения В подобном-режима достаточно, хорошо- развита и с определенной степенью приближения может йщ». -авдегиа в рзжах уравнения распространена« дал .интенсивности и уравнения дяя. разности населенности активных молекул (так шшвазкоо, . скоростное приближений). ' ' , ■ _ .

В 55 проводится вшшй.учет возмогшгх йадктуоционшх двлошй ь по равновесной среде космических ыазэров. Охмичзно, что система ' стохасгоешк дайерешиалькых уравнеаай - это. шшддаша средах

(моментов) и корреляционных функций для неизвестного случайного поля, а такге выявление характера распределения вероятности этих решения. В результате показано, что теория космических мазеров в наиболее общем виде представляет собой уравнения, описывающие физические процессы в непрерывно распределенных системах с флуктуациями. Электромагнитные характеристик среды определяйте л набором макроскопических параметров, дродставлятеих собой средние значения ссответсвущих макроскопических величин с флуктуация,та. На шс основе могут быть определен уравнения, описивянщиа макроскопические электромагнитные величины, такие как среднее электромагнитное поле, поляризации и др., что представляет большой интерес при исследовании многих процессов. Показапо.что. исследование флуктуация в космических мазерзх пеобхода-ю для выявлеши рада ваззшх аффектов. ,3 частности, от них зависят-статистические свойства мазерного излучения, которые связаны с шириной линии излучения а режимом усиления космического мазера. Далее, в четвертой главе будет показано, что при достижении достаточного уровня накачки и выполнении других' физических условий неравновесная молекулярная среда космических мазеров мохот перейти в генераторный режа?* излучения, также выявлено вааэоо вгаязяэ' флуктуэцпояннх процессов на свойства мазерного излучения в этом режиме. 3 этом случае излучение мазера мохот быть сконцентрировано внутри узкого спектрального интервала, -яур;шэ которого сильно зависит от интенсивности фдуктуациошта источников в' самой среде или поблизости.'В; этом параграф намечен только общий подход вкличенял флуктуация в, уравнения, определите' гволэдяв мазерного , излучзпая. В результате в дальнейшей иском»« физичеекка вэягввд долям {¡взыскиваться • в впдо:

^<Е> = <Е> + СЕ , <Р> = <?> * 0? , <Ш> = <Ш> +ОШ , где <Е> , <Р> и <&м> - средние значения' ентонсйшссти мазерного ' поля, плотности поляризации и нвселенаосхей. актшшчх молекул, СЕ , СР и СШ - фяуктуецдоазио честя этих го дзре.'»ших, 'обуслошгеншхо различны:« эдмсвимн процессами, к числу которых могут быть отнесены флуктуацл, свясашше • с усиливаемым собственного епкггатгаго • нзлучонзя '.и пояяразшиовного' пума, . обусловленного квантовой структурой работа!.-молекул. Такай-обррзеи.' флуктуация гагут бнть ■" внутражтаи шумами' (сбус.'говлипшэ./ сщшзнннмл радяасютга?« прсдесош' в.со?»оЗ.¿«шн-чой среде)" или шошшка'пуиз'я (прогзпэда-шчз.'огфуг8Щ9й. сршЛ, в которой -находятся .¡тжпел, ерэлэ глгяр-

кого источника). Определены свойства внутренних шумов, обусловленные спонтанным излучениэм самих активных молекул. Показано, что характер поведения внешних шумов можно также считать гауссовым.

" В §6 исследуется динамика генераторного режима излучения неравновесной среда космических мазеров. Показано также, что этот вопрос связан с характером возникающих волновых пеустойчивостей (абсолютный или конвективный) и имеет решающее значеше для установления режима излучения космических мазеров (генераторный или усилительный). Абсолютно неустойчивая система перестает работать.как усилитель, самовозбуздается, то ость при появлении сколь угодно малого возмущения они усиливаются и охватывает всю область неравновесшсти, В результате амплитуда возмущения начинает нарастать во времени (в линейном приближении) и система переходит в нарастающий режим, стремясь со временем в новое состояние. Из-за наличия нелинейных членов в основополагающих уравнениях караставдй режим излучения может стабилизироваться. При этом необходимо учитывать все нелинейные члены, в результате удается решить вопрос о конечном устойчивом состоянии системы. В итоге, установившееся в результате дзйствиЬ нелинейных членов состояние систеш является динамическим и предполагает возможность сущёствовашш как стационарных (когерентных) режимов излучения, так и состояние с более или менее развитым хаосом. Более подробно проанализирован стационарный режим - pshsiu когерентной генерации. При этом имеется в виду что, • возникает фазовый переход в излучении, с появлением отличных от нуля средних значений <Е> = Ео и <Р> = ?0- Показано, что вблизи этой точки возникающая структура (новое рещ&пие) определяется суперпозицией конечного числа прострзнствстшх горыопик, являющихся суперпозицией бегущих воли. В результате структура' конечного решения E(r.t) зависит от внутренних (дагамкчоских) параметров среда уровня нбраваовесности.

Получено слодущга нелинейное уравконлз, опясиващоо медленно •шняодуася ачпж гуда мэзерного коля B(r,t) после возникновения неустойчивости:^ .

=• I а-р|£|2-п>(Ъ§ +v2)2l Е + F(t) . Здесь F(t) - KiiTOHciieaocTii фшуктуаций,

' a = (2ith^A}f0-8icoa!g1)/I2{2TO+®21)).

ц - 2d/b, v - -гот/сг(л>|тг(г«з + к;1)3).

Далее отмечено, что полученное уравнение должно .описывать широчайший спектр процессов-от возшпотопешш пространственно- временных когерентных структур до различных бифуркаций, нестационарных импульсов и развитии хаоса в трехмерном пространстве.

В последнем параграфе этой главы в общем виде анализируются возможные причины возникновения поляризационных явлений в космических мазерах. Несмотря на то, что поляризация у излучения космячвигах мазеров была обнаружена сразу после их открытия и в настоящее время пет недостатка в теоретических 'моделях", объяснящих возникновение поляризации, тем не менее, причина этого явления по сей день остается окончательно не решенной: Бернбо, пот одного общего механизм;) возникновения поляризации. Это связано, с одной сторош, со сложность!) самого процесса возникновения поляризациошшх характеристик ,з тядо вядаяшя на него многих, физических факторов, к с яругой - отсутствием исчерпываадих сведений о характере и условиях, в которых происходит .эволюция космического мазориого излучения. В результате из-за этой неопределенности в физических условиях я межзвездных облаках и отсутствия однозначного зпшия механизма. возшиетовения п распространения мазерного излучения лее еще не позволяет адекватно' принять окончательную модель за действительную. Дет объяснения поляризационных особенностей космических _ мазер.чых источников необходимо учитывать -всэ совокупность данных - как природа возникновения мазерного излучения (реяамэ), так и представления о механизме' накачки источников я физических условий в них. Поляризационные явления обычно связаны какой-то формой проявления Зееман-эйсхта. "Однако, детальная разработка механизма возникновения поляризации! излучения космического мазера с учетом зеемгповского расцепления требует учета различия: Факторов.

Отмечено, что изучение вопросов образования и распространения поляризованного излучения имзет ¡застое значение в поникания природа межзвездных источников кэзерного излучения я выявления Физических условий в перавновеспоЯ космической среде. В пастояцее время существует .многочисленное число различных мзтапзмзп обрвзопшш полярлзашш у тох илз.ишпс источников в зовясанастя от идюлешт Физических условий в источниках. 6 учетом того, что ясряду с усплзтолышм реззмг» возгаяш тйкзэ а гояераторшЗ -реет* . издучешш, вопрос о поллрззацзя связан, по всей паяг»ста, а с разелгма излучения. Позтоку приставляется вшш рссстотрзть

вопросы"образования а распространения поляризованного мазерного излучения в неравновесной двухуровневой среде,а также с учетом 'возможного-режима излучения провести необходимый анализ некоторых ранее разработанных моделей.

- Третья глава посвящена исследованию .модели космического мазера как квантового усилителя в наиболее общем виде, с учетом различных пространственно-временных когерентных эМектов, ранее ■пренебрегавщихся при интерпретации наблюдательных данных. Здесь космический мазер представляет собой усилитель электромагнитного излучения-с тепловой (гауссовой) статистикой на входе. Исходя из этого» исследованы пространственно-временные характеристики на выходе го усилителя в линейном, и нелинейном режимах усиления. В результате выявлены возможные отклонения от гауссовского статистического распределения и кваз:шотрошгого пространственного распределения характеристик космического мазерного кзлучеши.Космический мазер усилительного режима излучения определяется как первая из возжшшх фаз излучения неравновесной космической среда. Здесь же рассмотрены различные зф1екти возникновения поляризационных (круговой и линейной) свойств мазерного излучения в режиме усилителя.

Показано, что неравновесная среда- космического мазера может усиливать .' несфазировзнное излучепиэ,' возшгкавдее из-за существования спонтанных переходов между активными уровнями молекул, а также при наличии подложки резонансного излучения от внешних источников.- При этом возможно как линейное усиление, так и усиление в нелинейном "режме. В зависимости от того, какой из них реализуется, в сильной степени изменяются основные характеристики мазерного излучения на выходе из источника.

Указано,- что. большинство авторов при теоретической интерпретации излучения косжкееких мазеров в основном исходят из одной единственной модели взаимодействия, соответствующей одному случаи из нескольким возмохкых, подробно рассмотренных Литваком (1970). В связи. с этап правомерным является такая постановка вопроса, как Последовательный учет влияния статистически свойств и других эффектов на эволщию космическог-о мазерного излучения на выходе из истодаика.Ирн изучении пространственно-временных коге-рент;шх свойств нами ксюльзовелись соотношения,для величшш коэффициента усиления, полученные Литваком (1970) для случая 'сильного превышения ширины распространяющегося излучения лад однородным ■ откликом активной молекулы и обычно используемые при построении конкретных моделей космических мазеров усилительного режима.

Поэтому в 51 .прежде, чем анализировать некоторые свойства мазерного излучения в режиме усиления, изложены некоторые моменты, связанные с используемыми основопологащими уравнениями в усилительном режиме, и потребунщлхся в дальнейшем. Отмечено,' что в теории возникновения космического мазерного излучения в усилительном режиме к настоящему моменту рассмотрены и изложены в рамках определению: приближений. Основываясь на методе, развитом Леоптошгчем (1954), были учтены дифракционные з<Мекты,

определяемые в:сладом оператора Дб = (д^г + д^г) в уравнении распространения мазерного излучения в усилительном режиме.

Во-втором параграфе показано,' что излучение неравновесной инвертировашюй молекулярной среды, в линейном усилительном режиме представляет собой многомодовое излучение с гауссовой статистикой Вне зависимости от того, какое излучение усиливается, (затравочное' излучение или собственное спонтанное излучение), при. прохождении через линейную усшшванду» систему распределение вероятностей начального излучения (имеилую гауссовуи иумопуп природа) нэ измз-няется. Этим могут быть объяснены пзрвые. наблюдения статистических свойств космического мазерного излучения,показавшие гауссопский их. характер (Пащенко и др.,1972; Эванс и др., 1372;. Моран, 1531).

Далее в этом гс параграфе проанализирована возможность возникновения времешой когерентности в • усилительном режима излучения космических мазеров. Вопрос о состоянии статистически характеристик '(временной • когерентности), мазерного излучения в сильно усшшвапцих, (в'нелинейных) космических, мазерах в процессе распространения в литературе все еце, пз был. рассмотрен. Поэтому, п связи с наблюдениям шщшх космических'мазеров я посбгоджюстья объяснения характеристик иг излучения, представляет важна! пнтзрзс вссдедовэть .зволвдиэ их-, статистических; свойств в нодаяеЯз-зм рсжж© усиления. Так как. в усилительном -режима возможно достяаапко нзлшюйного режима,.то в,этом-случае из-за эффекта наснтзнял кожо? возникнуть нелинейный ■ режим .. преобразования ' случайна: волп. Показано, что из-за подобного нелинейного .преобразования из начального (нэ входа. в усилитель) рзлоовского рзспрздалзпяя усиливаемой волны можно получить,'что, функция распределзппл для волны п произвольном СЭЧОШЗ! инеэт вид:

57 (Б. 3) = егр£т---5~.

Здесь Л = Бц/га1 ; т -2az - удвоенная оптическая толшяа.

Из которргов частности следует, что при т =» 0, как и должно 'бить , функция распределения совпадает с использованным начальным рзлоевским рЗспреде лешем. Однако' согласно последнему выражении форма -распределения усиливаемого шума видоизменяется при нарастании оптической .тодди,т.е.имеет различную форму при различных пройденных путях (оптических толщах).

Таким образом показано, что эффект насыщения (нелинейности) приводит к преобразований статистики усиливаемой волны и в резшмо усилителя бегущей волны. Подобное изменение первоначально шумового (гауссовою) излучения в процессе нелинейного усиления пригодат к трансформации ого статистических свойств, в результате статистика усиливаемого стационарного сума прообразуется в процессе усиления и флуктуации интенсивности усиливаемой волны сначала нарастают, достигает максимального значения, но когда начинает проявляться нелинейность (насинения) происходит их уменьшение, что приводит к ö-обрззиому распределении интенсивности. Однако спектральное сугение при атом имеет вид характерный для усилительного режима.

В следующем (§3) параграф проанализирована возможность возникновения пространственной когерентности в усилительном ре.шмз кзлучения космически мазеров. С этой ' целью исследовано влияние дифракционных эффектов в шизотропной и силъпоусшшваэдеа космической среде , с малш,® значениями числа'Френеля ?=3/ÄL (D и L . -поперечный и линейшгй размеры излучающей области, X -длина волны мазерного излучения) йа пространственные когерентные свойства.

Показано, что исследование пространствешшх когерентных свойств излучения сильно устаиваящах и анизотропных космических мазеров в усилительном реззвю может представить интерес при интерпретации излучения нзкоторых наблядаейшх космических мазер[шх 1геточ1ш:ов. Для анализа подобных аффектов использовано уравнэниз распространения для мазерного _ поля в реяше усилителя бегупей

-ВОЛНЫ В ОДНОВОДГОВОМ . нриблишии, ДОЦОДЛШВШО ДИфр8КЦй0ШШ.',5 и нелинейным членами, Из проведенного анализа следует, что и сильно анизотропной а усиливающей среде косшческзх мазеров возможно фондирование пространственно когерентного лазерного, излучения. Причем пространственный профиль усиления является своеобразным активным волноводом с соответсвуздим радиусом, где дифрагирует и усиливается возникащзя из спонтанных шумов или излучения внеаней подлой® мазершээ излучение. Радаус корреляций, дахо

С-коррелировешюго излучегия на входе и актшзнув среду может яра больших усилениях достигать величины порядка радиуса области уснле:шя и следовательно становится практически полностью пространствен© когерентном.

В §4 исследованы различные редаэвдошю-динамические эффекты распрзстронеш-м излучения в космачесюи мазерах. Космическое маэерное излучение возникает за счет наличия инверсаотю населенных молекул, т. е. активной среди. Однако не менее важным оказывается обратное воздействие мазерного излучения на активные молекулы. Подобное воздействие особенно важно с достижением большее интенсивяостей излучения. Исследование радиационного давленая на атомы и' молекулы в астрофизических условиях в настоящее врем составляет вахнув часть направления при объяснении многих интереишх наблздаемих встрофизичеких эффектов. Радиационно - динамические эффекты, связанные с взаимодействием веиества и излучения в неравновесной космической среде естественных мазеров могут иметь важное значение в формировании спектра мазерного излучения и динамике межзвездной среди. Поэтому представляет интерес основываясь на квантовомеханических методах исследовать некоторое возможные з№га воздействия мазерного поля на активные молекулы неравновесной среди: радиациоаяое уаифение однородной ширины линия усиления, радиационное давление и эффект самоиндуцированной прозрачности.

Эффекты радиационного уширения, применительно к активным молекулам космических мазеров впервые рассматривалась в работах Литвака (1970) а Слыша (1973). Однако в наиболее общем случае необходимым учет ряда факторов, которые могут видоизменить или уточнить ранее получешша теоретические результаты. Важным моментом теория космических мазеров является тот факт, что неюторыэ из релаксационных характеристик могут изменяться в процессе распространения и усиления мазерного излучения.В связи с этим правомерным является такая постановка вопроса, как последовательный учет влияния • стохастачпоста космического мазерного -излучения на релаксационные характеристша рабочей молекул]. Показано, что эюлиция этих параметров определяется системой самосогласованных динамических уравнений для матр;шд плотности рабочих молекул и уравнения Максвелла. Проведен анализ поведения рабочих молекул магерннх. источников в собственном стохастическом поле с пярокополоснш спектром, 'соответствующая

первому рассмотренное случаю.

Основываясь на модели космического мазера, обладащего многомодовым спектром излучения, когда радиоизлучение космического мазера моею представить в виде плоской модулированной волши и рассматривать ато ноле как широкополосный, стационарный, случайный гауссовсгай процесс. Исследовано влияние стохастического резонансного мазерного поля на отклик двухуровневой системы. При таком приближении (широкополосного гауссова шума) с Ш » Т"1^,, космическое мозерное поле можно представить как поле с нулевым средним и корреляционной функцией

<ЕШ> = 0, <Е(1;)*Е(Ъ)*> = в б(г-Г). Из найденного решения следует, что широкополосное стохастическое поле изменяет время поперечной релаксации поляризации,» следовательно ущиряет однородную линию отклика активных молекул, делая ее равным

й0)рад. = 1/!Р2 = (1 +

С помощьв этого выражения была оценена величина ожидаемого радиационного ударения для некоторых мопщых космических ОН и Н20 -мазеров. Так, при напряженности мазерного поля Е=8,0 Ю~3 ОГС (что соответствует изотропному потоку излучения с яркостной тешерзтурой Т=Ю15 К в источнике Ы9 на молекулах Н20, 6=1,25 10"'9 СГС) ширина линии усиления будет равна ¿се=3 ¡¿Гц, а для молекулы ОН (<2=1,15 Ю-13 СГС) при Е=6 10~6 СГС (источник ИЗ) ширина линии у сменил ¿ш=20 кГц. ■

Таким образом, выявлено, что в процессе распространения шумового поля происходит.но только усиление его интенсивности, но к изменение релаксационных параметров двухуровневой рабочей среди. и при достижения определенной интенсивности однородная ширина (величина поперечной константы релаксации) моеот сравняться с ожидаемой. доннлеровской шириной, обусловленной тепловик дважопаем молекул. В атом случае каждая отдельная активная нзлокуло среды независимо от своей кинетической скорости могот участвовать в индуцированном излучении под воздействием любого кванта в профиле линии излучения, что в. свою очередь коазт привести к существенному изменению поведения спектра излучения на ваходе из источника. Причем наиболее нредаочтательшшн в . этом отношении являится космические мазеры на молекулах 1^0.

В атом не параграф рассштрепы эйокта изменения в характере

протекания газокинетических процессов межзвездного молекулярного облака, возникавшие под воздействием интенсивного резонансного мазерного излучения. К настоящему времени в основном создана теория атомного (молекулярного) движения в резонансных электромагнитных полях на основа квантовостатистического анализа движения атомных частиц. Первые результаты спет подучены Эшкшшм (1970). Влервие роль эффекта радиационного давления в космическом мазере рассматривалась Стрельшщяим (1ЭТ2) с целью объяснить наблюдаемую переменность интенсивности мазерного излучении. Исследование радиационного давления на атомы и молекулы в астрофизических условиях в настоящее время составляет вахну» часть направления при объяснении шогих интересных набладаемых астрофизических аффектов. Усредненная сила, действующая на двухуровневую систему может быть вычислена путем определения мнимой части яедиоганального элемента матрицы плотности резонансной шлекулы, в результате для силы редакционного давления космического мазерного излучения получено выражение:

у - 15 5К--------50-25----- - .

(л+ку) + т|(1+х/тн)е

Из которого следует, что сила радиационного давления естественным образом зависит от допплеровского сдвига, и имеет лоренцовскуи зависимость от проекции скорости •/ на волновой вектор электромагнитной волны к, типичную для резонансного взаимодействий . двухуровневого атома с узкополостшм излечением. Максимального, значения сила достигает при точном резонансе, когда !с/= ш0~ ш . Кз этого выражения такта следует, что предельное значение силы ограничено вследсгвии существования э фЦокта насыщения, максимальной величиной интенсивности мазерного излучения достигаемой в режамь усиления.

Далее в этом же параграфе исследуется явлепие возникновения самоиндуциропашюй прозрачности в межзвездных молекулярных облаках. Возтхиостъ проявления подобных эффектов в молекулярной космической среде ранее рассматривалась Розенои (1974). Для возникновения подобных эффектов необходимо, чтобы мазерное поле изначально было когерентным, что' в период выхода в свет работы Розенз (1574) представлялось весьма проблематичным. Однако в связи с наблэдешшм мощйш вспшаечянх космгпесхих мазеров п возможности интерпретации их излучения как излучения в генера.арном

(когерентным) режиме дальнейшее рассмотрена эффекта самоиндуцированной прозрачности вполне актуально. Рассмотрение эффекта сзмоиндуциров8нной прозрачности Розеном проводилось для вырожденного случая, то есть отсутствия магнитного поля, что мало вероятно в условиях космической среда. Поэтому представляется важным исследовать возможность проявления зф!»ктов самоипдуцирвапной прозрачности при отсутствии вырождения,что проведено в конце 54.

В §5 исследуются поляризационные ¡шлепая в усилительном режиме. Показано, что в усилительном режиме вознжикшение и эволюция поляризации космических мазеров можэт быть обусловлена в некоторых случаях изменением показателя преломления для различных поляризационных компонент электромагнитного поля. Подобные эффекты лс1'ко учитывается в рамках уравнения распространения для различно поляризованных компонент мазерного излучения. Довольно часто нахождожю ЗГ.К компонент сводится к определению ¡ишя магшшю-го поля и других процессов на свойства активных молекул и плазмы (Бурдыжа, Вараалович, 1972: ГолдрзЯх и др.. 1574). В отом параграфе рассматривается ецо одни возможный когаиазм образования крух'овой поляризации мазерного излучения мс-язвездаых молекул ОН в основном состоянии космического мзззрз. А тага® устанавливается некоторые статистические соображения относительно распространенности источников с круговой шл,чрязацизй. Показано, что, если за него ответственен зееманозский аффект/ то круговая поляризация может обуславливатся отличие;.« п коэффициентах усиления для различных цирэдлярно поляризованных мод, которое возникает из-за ' отличия населешюстей зеекэновских подуровней, определяемых известным больцмановеккл распределением. Вычислена степень круговой поляризации для всех четырех линий излучения..

Выявлено, что в рамках рассмотренного механизма удается объяснить только паблцдасмув , сильнуэ кротовую шляризацив излучения главных линий основного состояния ОН ' - мазерпых источников, а ожидаемая степень круговой поляризация излучения сателлитов основного состояния ОН - мазеров в рамках расскатргиззмой модели мало. Подобный результат хорошо согласуется ' с Еаблядекгжэ поляризационных характеристик- в линиях сателлитов Ш-магервнх'источников основного состояния. В рамках этой £е коделж возникновения поляризации, показано , что для большого лзгерввлз углов мзэду направлением магнитного поля и направланием ез шзяадателя в пространство по- болымму числу иазорша

источников ОН , 80% из rax долети обладать круговой поляризацией , а 20 !? линейной поляризацией. Такая картина не противоречат наблюдениям и может служить определенным доводом в возмозаюсть реализации рассмотренного выше механизма поляризации в 0Н-мазертшх источниках в усилительном режиме.

В четвертой главе рассматривается модель космического мазера во втором возможном режиме излучения с явным проявлением когерентных эффектов. Б рамках механизма возникновения динамического режима излучения, основанного на пр;!нц:ше развития абсолютной (глобальной) волновой неустойчивости в пространственно ограшяешюй неравновесной двухуровневой квантовой системе предпринята попытка описать некоторые свойства мощных вешгечпых космических мазеров. Показано, что рассматриваемый генераторный режим излуче'.ия возникает из усилительного ре:шма за счет реализации неравновесного фазового перехода молекулярной космической среде, Исследования возшгкновення подобного режима излучения, ее динамике и анализу некоторых возможшх характеристик излучения в этом режиме и посвялони настоящая глава.

В первом параграфе анализируется роль пространственной ограниченности мззерного источника, в итоге впервые »теории космических мазеров сформулирована электродинамическая задача пространственно ограниченного мазерного источшша. Исходя из определенных краевых условий, в рамках пространственно ограниченнго трехмерного источника в кэде иара исследуется возникновение регулярных волновых полей. Показано, что все возмогшие внзуздешше колебания ограниченного объема следует анализировать посредством разло.-ташя в ряд но собственным колебаниям простраысгвено ограниченного ерзды. Поэтому рассматриваемая задача требует анзлп-за также пространственной структуры ¡лазерного поля. Простреас-шздая структура

определяется путем рошыя уравнения Лапласа:

(v2 -I- к2 >U = О где и- характеризует пространственное распределение .лазерного поля внутри и вне неравновесной области лри определенных граничных условиях. В результате наличие гранта у источника излучения делает его спектр дискретным и вносит догюлгштелышй источник затухания из-за излучения в окружаацео нространство. В результате п среде возникает1 различные вида потерь-розонаненне и. нерезонашше (омические). Поэтому, если существование мода сопровоздаотся излу-

- ¿4 - ..

чением из активной среда, то этот процесс вносят свой, в определенных случаях, основной вклад в процесс затухания. Однако ограниченный объем с распределенными потерями энергии на плазме и на излучение в о^узотдее пространство в некоторых случаях может обладать высокими резонансными свойствам {Рихтмайер.1939) и имеет очень высокую добротность с собственным резонансным спектром.

В следующем, втором параграфе этой главы, рассмотрен общий механизм возпикновсшщ реазшо геперации в пространственно-ограниченной неравновесной космической среда - как переход из конвективно неустойчивого режима усиления в режим абсолютной (глобальной) неустойчивости с усчетом пространствеготой ограниченности области лазерного' излучегвш. Выявлены условия, характсризунвде переход от . усилительного реаямэ в генераторный при наличии границ у излучавдей неравновесной области. Показано, что й условиях космических мазеров • такой рехкм !.«о.тат возяшшуть при учете границ активной области. 'Определено, что в случае, когда частота излучащих молекул приближется к одной из собственных частот ограниченного объема, то соответствующий член разложения начинает возрастать - имеет место ' резонанс. В результате неравновесная двухуровневая квантовая система может перейти от усилительного режима к -генераторному,■ то ость коявзктивно неустойчивая система нроврацается в ' абсолютную неустойчивую систему. В этом случае -из-за огращгшшюста пространства частотный спектр колебаний дагет , дискретную' структуру. Крсзше условия, налагаемые на результате возндаащие поля представляется в виде пространственных гармо2гик, и только с резонансными гармошками шгеисшю взаимодействует якшшае молекулы- эффективно,' передавая им своя опергив. При этом происходит нарастание определенных мод, зависящих от краевазс и фягичеекпх условий с, Форетрованшзм •вйдалэншсс угловых '•'нэзрзвлгата 'раснрострзпенгя' энергии, что сОяогчеот объяснение ■ - аверготячэмшх ' характеристик иссщих всяшечшх 1^0 - косметескш:. мазеров."

Дутем соогоетстауздего решешш -дисперсионного урзвпзш*л опро-делена частота и величина инкрикепта волновой неустойчивости, при которше ношзт возникнуть генерация.В частности найдэнэ.что керш, отвочаида элоктроьэгнатзюи}' шзбугдашта.оарсдолязяс.ч енрзжсняяме:

^ • ' ' . . А(е-тг) •

"е.®33 ио~ 2 «Уе-т^/е " 2 )г] '

< т о| (4ТЛ + ипб„-2етГ1 )

ш* т=-р(4ют + ылС 1/е +р- ----? -У--1——------Т~?—•

®-т 2 0 л ^ (4исж>)0<5т -гез^Г!

А возникновение поляритонных возбуждений определяется условиями

и- ^ _ 1 ___________

0 2 [от (е-ч)а)г+ )2]'

Здесь т^ = и вш = При выполнении этих

условий возшкзет резонанс, и на этой частоте из-за экспоненциального характера роста амплитуда могут возншсцуть высокие значения амплитуда ¡«¡серного поля, в результате излучение космического мазера в этом режиме носит не только частотно селективный характер, но и пространственно-селективное с определенной диаграммой направлегшости.

В 53 исследуется динамика генераторного режима излучения неравновесной среда космических мазеров. Рассмотрена возмозагость стационарного режима излучеши в случае пространственно одаомодовой генерации с модой ш , найдсена велх-ша интенсивности

мазерного излучения в подобном режиме

Ц- 0 1

Где о'— о+оизл ,

Таким образом, определено, что электромагнитное поле, поляризация и разность населетюстей при определенных условиях, в зависимости от параметров нерзвновесности (Л!10, Т1 г, о) и грашгавк условий является неустойчивым;! и парастнхо»яи. В " общем случае подобные решения могут определяться набором мод. Реальное резуль'Пфувщее поле представляется в. виде суперпозшш этих мод с соотвтствущвж амплитудами, для этих ■ неизвестных амплитуд шд можно получить нелинейное уравнение, которое напоминает уравнение из теории фазовых переходов» •

В четвертом параграфе исследуется статистические • и спектралыше . свойства излучения космкческ-их мазеров в режиме гэперагсвт.. Действительно с ' возтшшовйши! динамического режима

излучения и космических мазерах можно ожидать изменения основных характеристик их излучения. Как известно, веским доказательством реализации кооперативного когерентного излучения является отличие его статистических свойств от гауссова распределения, что может обнаружиться при соответствующих статистических измерениях этих свойств. Поэтому представляло интерес расс-мотрегие статистических свойств излучения в режима генерации/ Для подобного анализа необходимо знание о поведении корреляционной функция возникавшего мазерного поля. Показано, , что если в космических мазерах реализуется одаомодовий режим генерации, то в этом случае можно ожидать -при наблюдениях,* что статистика излучения будет отличаться от гауссовой. Поскольку вмошю этот случай наиболее интересен как реальное возникновение кооперативного когерентного эф!екта в космосе и выделяется из всех традиционных астрофизических источников, ого рассмотрении уделено больше внимание. С этой целью исследовано нелинейное уравнение эволюции мазерного поля в одаомодовом режиме генерации :

ЭТт=с V

где ?Е(гД) учитывает существование С-коррелироватшх фяуктуационных процессов в источнике.

Для анализа статистических и спектральных свойств мазерного поля рассмотрено соответствуйте этому уравнении уравнение «аскера - Плавка для распределения вероятности амшштуды поля. Исходя та которого вычислена корреляционная функция мазерного поля и спектр имапдий лоронцовскуа форму с шириной линии Дш = Вф/Е2.

После соответствующего перехода от величины полной интенсивности электромагнитного излучения к его значении в цоатре спектра (наблюдаемые зависимости ьчфиш/спектрз от интенсивности нормиртпанн на интенсивность в центре профиля линяй) иайдепо, что ширина спектра определяется выражением:

где Пф~ интенсивность фазовых флуктуаций.

отмечено, что нмзпно подобное повэдзние ширшш спектра,

* Это возможно, конечно, есля когерентность сигнала пе'теряется во время распространения от источника к пабдодател® из-за рассеяния на поодиородяоетях межзвездной среди.

яабладалось у некоторых модах Н^О мазерных источников и соответствует хорошо известной в теории квантовых генераторов формуле Шавлова - Таунса. В результате сделан вшзод, что некоторые мойные Н20- космические мазеры излучают в генераторном режиме, то есть в естественных природных условиях реализуется кооперативное излучение неравновесной среда.

В пятом параграф© предпринята попытка проанализировать влияние диэлектрических свойств окружагщей среды (плазмы и пыли) на процесс возникновения режима генерации в пространственно ограниченной трехмерной неравновесной среде космических мазеров. Здесь уточнены условия дерехода от конвективного режима излучения (усилительного режима) в режим абсолютной (глобальной) неустойчивости с учетом различия диэлектрических характеристик активной области и окружавдего пространства при наличии плазмы либо пыли. Это особешю вагао в условиях космических мазеров когда характер неустойчивости сильно зависит от наличия границ активной области и отличия диэлектрических характеристик излучаадей области от окружающего пространства. В целом существование различного по своим диэлектрическим свойствам среда приводит к различной диссипации излучения (распределенных потерь и потерь, обусловлен-то излучением в окрут-ащее пространство),также пгреаормярует величину релаксации, поляризации. Выявленно влияние плазм! или пыли на условия возникновения режима генерации и частоту генерации для различных возмоззшх мод .Показано, что в зависимости от конкретной природы окрухаодей среда и характера неустойчивой моды это-влияние, может либо затруднить возникновение рзалма генерации либо облегчить ого. Сделано попытка , на основе взаимосвязи некоторых параметров, характеризуэдих ро:с;м генерации, классифицировать возможные т;шы космических мазеров реима генерации.

В последнем параграфе этой главы анализируется ноляризацикшыо явления в генераторном режиме при наличия фазовой синхронизации двух противоположно поляризованных мод. Указано, что если возникновение простраиственно-времэной когерентности в рамках усилительного механизма в космических условиях невозможно, то и традиционно применяемая модель возникновения поляризации Хлррэ-Сетлза не может быть использована в рамках- этого режыа излучения космического мазера. Однако,с учетом некоторых сопутствувдях физических оФГектов, связанных с увеличением однородной ширины линей усиления и реальности релиз генерации в косшяес ах мазерах,

механизм возникновения поляризации как результат конкуренции противоположно поляризованных мод имеет основания для применения при интерпретации свойств излучения космических мазеров.

Заключение. В этом разделе приведен краткий обзор основных положений теории (статистической электродинамики) космических мазеров с классификацией возможных реетмов их излучения. Кратко сформулированы основные отличия возможных режимов излучонкя космических мазеров, названы пути развития намоченного подхода и перспектива дальнейших экспериментальных исследований, связанных с космическими мазерами.

В Приложениях содержится вывод осиовопологавдях уравнений, эффектов и соотношений, использованных в тексте.

Основные результаты и выводы:

Х.Даио обосновеше электродинамики ' статистических волновых процессов в неравновесной молекулярной космической среде, исследо-. ваны общие закономерности волновых процессов в таких средах. Методом теории шзншсндвояия волновых неусгойчивостей в неравновесных средах определены критерии-конвективной и абсолютной пеустойчн-востей в трехкорной двухуровневой молекулярной среде космических мазеров. Установлены . условия, когда неравновесная среда космических мазеров может излучать в .режиме усилителя и режиме генерации. \

■2.Подробно, с учетом нелинейных и дифракционных эффектов, рассмотрен усилительный режим-в космических" мазерах. Исследованы простргнствгшо-времешзые когерентные свойства в этом режиме. В частности, показано, что в нелинейном режиме усиления и наличии сильной геометрически вытянутой пространственной структуры области усиления,' излучение космических мазеров могут приобретать частичные дространствешо-времзннне" когерентные свойства. Рассмотрена некоторые радиациошю-динамячеекпе зффекгы {однородное радиационное ударенно отклика активной молекулы в собственном стохастическом поле, -квантомехвнический расчет радиационной .отдачи активша иэлекул ^ эффект сшзивдуцировашой прозрачности) и возможный' механизм возшшопення круговой поляризецшш в усилительном регкмэ.

3.Впервые в теории космических мазеров сформулирована электродЕиамзческая задача излучения неравновесной астрофизической срегн кок пространствешо-ограшпеоного ■ источника иаяучепнЛ".

- 2Э -

Показано, что в прострэнственно-ограгаиетюй неравновесной среде космических мазеров может возникнуть фазовый переход, переводящий его та усилительного в генераторный режам излучения, опродолены основные параметры, характеризующие подобный переход.

4.Выявлены условия возникновения режима генерации и определены уравнепия эволюции типа Гинзбурга-Ландау, характеризующие радиоизлучение в этом режиме. Дано теоретическое объяснение наблюдаемой сильной зависимости ширины линии от интенсивности излучения некоторых мощных НгО-космических мазеров в рамках предположения реализации кооперативного излучения в мззергшх источниках с . подобным проявлением поведения спектра. Исследованы возможные статистические и полярнзацлошгно свойства космического мазерного излучения в генераторном режиме.

5.Определены общие закономерности и модели возникновения режима генерации в плазмеино-пнлевнх астрофизических неравновесных молекулярных областях. Показано, что из-за многообразия возможных условий в неравновесной косныческой среде, могут реаглзовнвоться обе возможные ветви развития режима генерации (полмритонная и олзктромапвгигзя). В связи с этим предложено две возможны» модели космических мазер;шх источников режима генерации. Указано на возможность реализации в космических мазерах реглма динамического, хаоса.

По теме диссертации опубликовании п/адуэдио работа.

1Л&анкулаев Д. Бифуркации и хаос и излучении неравновесной молекулярной среды космических мазеров. - Труды семинара "Келтаейше явления в еловых системах". Нопо-Полоцк, 1992, с. 218-223.

2.IshanimIiov D. Kono!iuilibriu.n phîi3'3 transition in таз or radiation of interstellar molocuJ.3,- loser Pico-, 1592, v.2, Кб, p.9SS-99Q.

3."ща;жулиев Д, Статистическая электродинамика 8стро?изпчес:с;£х мазеров когерентного режима излучения. Тезисы доклада всесоюзной конфорзшрв! "Галактическая а внегалактаэдекая радиоастрономия".-' Актабат, 1991, с. 159-160.

4.Ктаниудиев Д. О статистачесшгх свойствах излучения можзяазданх мазоргод . источников, - Известия АН Турхмзнястапа, сор. К'Х и Г наук, 1990, П2, с.90-». б.йаапкулиев Д. Всгетчда» R,0-MS3opu x..t' проявлен;»

- 30 -

самоипдуцированного фазового перехода в неравновесной межзвездной среде.- Письма в Астрон. ауру. 1991. Т.17. C.S86-594.

6.Шаикулиев Д. Мощные вспшючше космические мазеры и модель гигантского квантового генератора." - ЖЭТФ. 1992. Т.102, В.З, С.731-739.

7.Кшанкулиев Д. 00 относительной роли спонтанного, индуцированного, кооперативного спонтанного излучения в формировании радиоизлучения астрофизических мазеров. Тезисы докладов конференции "Актуальные проблема физики твердого тела и радиофизики". Апгабат, 1991» с.179-180. O.Iahankullov D. Soli-induced phase transition In emission oi interstellar matter. - Proc. ox the Conference "Phys. and Composition intersteller Batter". Poland, Torun, 1990, p.161-164.

Э.Кшанкулиев Д. О кооперативном излучении молекул межзвездной среды и рздаонаблюдения когорентных свойств излучения естественных космических мазеров. - Тезисы доклада на всесоюзной конференции 'Физика и конверсия".-Калининград, 1991. с.22-24.

Ю.Кшапкудиев Д. Самоиндуцировагпшй фазовый переход в излучении межзвездной среды. Текст доклада на международной конференции "Актуальные проблемы Фундаментальных наук", Москва. 1991, C.33-3S.

П.ХзнЗерднев А. и йшлсулиее Д. К , вопросу о круговой поляризации излучения мзззвездних молекул ОН. Астрономический Ж.,1931, т.S3, в.З, с.550-553.

12.Кианкулиеп Д. К Ханберднев А, Вероятность наблюдения космических источников ОН линейной и круговой поляризации. -Известия АН Туркменистана, сор. (¡яз.-мат.1931, иб,с. 100-103.

13.йааихуднэв Д. и Оразов Н.Б. О шзнжшои-зшк самоиндуца-роваппой прозрачности (солитошв) в спектрах мзгзвоздаых молекул. - Тезиса доклада всесогшой конференции "Д»Ко~ ропциалыше уравнения и их прилозгшля». Ашгабат, ISB6, с. 85-Б5.

14.Кшанкулигш Д. Радиационные п плазшдшшиаческиз »ЭДекты юазмодейстгал когервнтпого мазерного излучения в неравновесной . межзвездной молекулярной средз.- Тезисы докладов всесотаного симпозиума по • радиационной ияозгголшюшко.Н.; Ш!У. 1931. с.113-114.

- 31 -

15.йпавкулиев Д. О частотной зашсижетп нозпцаонного угла линейной поляризация излучения иощгоя зсосиетескнг мазеров Н20,- Астрономический циркуляр. 1990, N 1542, с. 13-14. Ю.Йшанкулнев Д. Режимы усиления в космических назврах и поляризационные свойства ' их излучения.- Тезиса доклада па всесоюзной конференции "Гвлактичеекея и внегалактаческап радиоастрономия-, Ашгабат, 1991, с.157-158. 17 .йзанкулиев д. Нелинейные и дифракционные явления в процессе образования и распространения радиоизлучения галактических мазеров. Текст доклада па международной конференции "Актуальные вроблеш фундаментальных наук", Москва, 1991, с.79-82.

18.Ешанкулиев Д. Рабочая молекула естественных мазеров в собственном стохастическом поле. - Известия АЛ Туркменистана, сер. ИХ и Г паук, IS9I NI с. 10-15. К.йяанкулиев Д.Келннэйныэ я дифракционные явления в процессе ycioiemai радиоизлучения галактических мазерах. -Известия АН Туркменистана. ,сер, ЗТХ и Г наук, 1Э92,к5,с.П~16. 20Л!шанкулиев Д. Обладает ли наблзщаемоа зтзлучепие мощных ' космических мазеров. Н20 когерентными свойствам? - Письма в Астрой. :курн., Î930, т.17, c.IÔdl-IOIO.

21.Киа1куляев Д. О зависимости кирших споктрзльпой лиши от интенсивности излучения мощшх мазеров iïg0.-Астрономический циркуляр. 1990. H 1542, C.II-I2.

22Л!шзнкулиев Д. Режимы усиления в космических мазерах и спектральные свойства их излучения.- Тезисы доклада па всесоюзной конкуренции "Голактичосзгая я внегалакигшская радиоастрономия", Ашгабзт, 1991,; с.193-194. 23.йЕЗжулиев Д. О когерентном мззерном излучении мз:кзвезд-шгх шлекулярных облаков. Тезисы доклада» xyi - всесоиюй кеЩерэнции по распространен;:® радиоволн. .Харьков, 1930, с,68.

. l'ho гфрсччХ'^лсо оХ еш15з1оп in-r.on-c-quliubrun oocniio midfain аЫ the SE2I.- Px-oo. oî Conîorcnoo "Bolet. Aatropnya. . f« -, Cosmologi". ,tT5SR, K/ÀTKhîs,,1991,

РЕФЕРАТ

Диссертацион ш М.В.Ломоносов адывдакы Москва Лввлвт университетинде ерине етирилди хем-де космос мазер техлеленменин хесиэтлерини умумнлывда беш этмек максады билен космос мазерлерин денаградсызлык средасннда электромагнит толкунларынын дурнуксызлыкларынш дерейиш теориясшшн есушне багышланяр.

Диссертация гириаден, 4 бапдан, жемлемеден, 3 гошмачадан хем-де эдебиятларщ списогшщан ыбаратдыр. Ылмы шин дузуми 238 сахнпадан, эдебиятларщ списогы болса 251 атдан нбаратдыр. .

Космос мазерлеринин денаграмсызлыкдакы йылдызара молекуляр средасьшын шехлеленмесинпн механизмлерини гурмакда, синергетиканын хезирки заман пршзшшлерине зсасландырылан умуш теоретики чемелешме.

Космос мазерлершшн шехле явратма ве гуйчлекме режишшде гайтарыл берме динамики эффектлеринш хем-де тезе статистики, спектраль. поляризация хесиетлеришш дернелмещ.

. Денагрэмсюлик молекуляр космос средасшш шехлеленмз рекимлерквде .фазалайш гечстин йузе чыкмашш тезе хадысаскнын аншланмаш. Шехлеленме ретамеришш (гуйчленмэ, регуляр хем-де регуляр дел динамики режимлер) уйтгеме процесини хэсиетлендирйэн зсасы физики парэметрлериц йузе чнкарылмага.

. ■ Космос мазердерштд дояаграмсызлык молекуляр средасшша иехлелакме генератор режимшшн ызнгидерли теориясы, генерация рекимвнин дерейиш шертлершшн кесгитленмегп хем-де бу рекши суратлащщрлн: (беян эдйэн) эволадион дзнлемеси. Бу реиимде косшс казер вэхлелешзсинвд ' кобир статистики, спектраль хем-дз полярязацгои хэсяетлершшн дернелмеш.* Денаграмснзлнк молекуляр .средздакн кеп дурли мумкш болан иертлериа аааяизи хем-де йадднзарз будутларда пертлеря пайлгашк иавсади билен. иехявленмвйкц дурли резишеришщ дэрешпше одзрка теощяг.