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Sorgente maser dell'acqua

L'emissione maser da oggetti astronomici, scoperta nel 1965, è un potente mezzo per testare le condizioni fisiche e chimiche del gas presente nelle regioni di formazione stellare, oppure nei dintorni di stelle molto luminose ed evolute.

Il termine maser è l'acronimo di "microwave amplification by stimulated emission of radiation", ossia "amplificazione di radiazione a microonde per mezzo di emissione stimolata di radiazione".

Cerchiamo di capirne il funzionamento ...

In primo luogo, una piccola premessa: la luce, che comunemente viene considerata un'onda elettromagnetica, in realtà si comporta anche come se fosse composta da un flusso di particelle (o pacchetti di energia), chiamate fotoni.

Gli atomi e le molecole possono assorbire o emettere radiazione (luce) solamente in quantità discrete, corrispondenti a fotoni di varia energia. Perché?
L'energia posseduta da un atomo o da una molecola è quantizzata, nel senso che può assumere, solo e soltanto, determinati valori discreti. A ciascun valore di energia corrisponde uno specifico stato quantico dell'atomo o della molecola. Di conseguenza, un atomo (o una molecola) assorbe o irradia energia, sotto forma di fotoni, solo quando cambia stato quantico, cioè quando compie un "salto" da un livello energetico ad un altro.
Ciò accade quando l'energia del fotone, assorbito o emesso, corrisponde alla differenza di energia esistente tra due stati permessi dell'atomo (o della molecola).
Nel primo caso, quando il fotone viene assorbito, causando una transizione dell'atomo (o della molecola) verso un livello energetico più alto (eccitato), si parla di assorbimento stimolato.
Nel secondo caso, quando il fotone viene emesso, causando una transizione dell'atomo (o della molecola) verso un livello energetico più basso, si parla di emissione stimolata.

Quando la luce incide su un sistema di atomi o di molecole, generalmente vi è un assorbimento complessivo di energia poiché, alle temperature ordinarie, vi sono più atomi (o molecole) nello stato energetico più basso (lo stato fondamentale) che negli stati eccitati.
Tuttavia, se si riesce a realizzare una situazione ... non ordinaria, in cui ci sono più atomi (o molecole) nello stato eccitato che nello stato fondamentale (è la cosiddetta inversione di popolazione), allora il numero di fotoni emessi è maggiore del numero di fotoni assorbiti, pertanto in questo caso la luce incidente determina un'emissione complessiva di energia.
L'inversione di popolazione è il principio base coinvolto nel funzionamento di un maser. Affinché possa verificarsi, occorre avere una "pompa" che riesca a rifornire continuamente il livello eccitato del sistema di atomi o di molecole preso in esame.

Perché si parla di processo di amplificazione maser?

Il fotone incidente, che stimola l'emissione di un altro fotone (avente la stessa energia del primo) da parte dell'atomo (o molecola) eccitato, non viene assorbito dall'atomo (o dalla molecola), per cui, dopo l'emissione stimolata, vi saranno due fotoni, quello incidente e quello emesso, con la stessa energia. Questi fotoni, a loro volta, potranno stimolare altri atomi (o molecole) a emettere fotoni in un processo di amplificazione a catena, limitato esclusivamente dal numero di atomi (o molecole) presenti nello stato eccitato, e quindi dall'efficienza (e dall'estensione) spaziale della "pompa".

Cosa s'intende per maser dell'acqua?

La presenza di molecole d'acqua negli spazi cosmici è stata rivelata grazie a un'intensa attività maser ad esse associata. In altre parole grazie a un meccanismo in grado di amplificare fortemente la radiazione emessa da queste molecole alle frequenze radio.

(Per inciso: quando la molecola dell'acqua si trova allo stato gassoso, ha la possibilità di ruotare intorno al suo baricentro. Le energie coinvolte sono, ancora una volta, quantizzate, nel senso che possono assumere soltanto determinati valori discreti. Di conseguenza, sono possibili transizioni, con assorbimento o emissione di energia, tra i vari livelli energetici rotazionali permessi. Una delle transizioni rotazionali della molecola dell'acqua avviene alla frequenza di 22 GigaHertz.)

Un'azione maser associata alla presenza di acqua è stata scoperta in molte nubi molecolari giganti (regioni in cui è in corso un'attiva genesi di stelle) e nelle atmosfere delle stelle più vecchie. In altre parole, i maser dell'acqua si trovano sempre e solo nelle vicinanze di intense sorgenti di energia, quali sono le stelle di recente formazione, molto calde e luminose, oppure le stelle luminose, ma fredde, nelle fasi finali della loro evoluzione. La radiazione proveniente da queste stelle vicine non fa che alimentare la "pompa" del maser, e quindi rifornire continuamente il livello eccitato delle molecole d'acqua presenti nelle nubi di materia interstellare. Ciò fa si che i maser siano ottimi indicatori di stelle giovani, immerse in nubi di gas molecolari e polvere, quindi invisibili a occhio nudo, e di stelle vecchie con atmosfere molto estese e grande perdita di massa.

È stata scoperta un'azione maser anche in presenza di altre molecole: il radicale ossidrile (OH), il monossido di silicio (SiO), il metanolo (CH3OH).