Космическое мазерное излучение является важным инструментом исследований межзвездного вещества, структуры Галактики и внегалактических объектов. Одну из ключевых ролей в обосновании, разработке и применении методов использования мазеров как инструментов астрономических и астрофизических исследований играют теоретические расчеты механизмов возбуждения мазеров и переноса мазерного излучения. Развитие наблюдательных инструментов в последнее десятилетие привело как к расширению возможностей проверки и получения ограничений для теоретических расчетов и построений, так и к появлению новых наблюдательных открытий и данных, интерпретация которых требует дальнейшего развития теории возбуждения мазерных переходов и переноса мазерного излучения.
Проект посвящен теоретическим и наблюдательным исследованиям мазерного излучения в линиях воды (H2O) и метанола (CH3OH) в широком диапазоне физических условий. Планируются также сопутствующие и дополнительные исследования объектов, ассоциирующихся с мазерными источниками, необходимые для познания природы источников и условий возбуждения мазерных переходов. Это, в том числе, анализ химических и физических условий в объектах, где образуются галактические и внегалактические мазеры. Для этого предполагается проведений теоретических расчетов и наблюдательных исследований объектов в радио и инфракрасном (ИК) диапазонах.
Основную часть проекта планируется посвятить исследованию мазеров на переходах CH3OH. В рамках проекта будут впервые проведены расчеты возбуждения мазерных переходов CH3OH с учетом сверхтонкого расщепления. Подобные расчеты важны для создания теоретических основ использования результатов наблюдений Зеемановского расщепления мазерных линий для оценки напряженности магнитного поля в объектах, ассоциирующихся с этими мазерами. В частности, ходе работ по гранту впервые будет исследовано возбуждение мазерного перехода CH3OH, который был открыт в 2017 году с участием члена группы при наблюдениях массивного молодого звездного объекта S255 NIRS3 на радиоинтерферометре ALMA. Впервые будут проведен анализ механизмов возбуждения мазеров CH3OH во внегалактических источниках, которые были обнаружены в соответствии с предсказаниями ученых УрФУ в 2014-2017 годах.
Также проект направлен на создание базы данных мазерных источников CH3OH. Впервые в одной базе данных будет объединена информация о мазерах CH3OH I и II класса. Статистические данные, которые возможно получить на основе подобной базы, важны для исследований возбуждения мазерных переходов, мазерной переменности, определения физических параметров в областях формирования мазеров.
В результате этих исследований будет создан уникальный инструмент для изучения физического и эволюционного статуса протозвездных/протопланетных дисков и истечений - важнейших околозвездных и межзвездных объектов.
В 2017 году были опубликованы первые наблюдательные исследования, установившие связь между вспышками мазерного излучения в линиях CH3OH и H2O с вспышками ИК излучения в связанных объектах. В 2017 году по заявке ученых УрФУ на новом ИК телескопе ГАИШ в КГО были впервые получены свидетельства того, что во время мазерных вспышек ассоциирующиеся ИК объекты могут, наоборот, уменьшать свою яркость. В ходе проекта совместно с другими российскими и зарубежными научными группами планируется продолжение наблюдений и анализ архивных данных, имеющих целью исследование механизмов накачки мазеров в линиях CH3OH и H2O, а также изучение физических условий в их окрестностях.
С целью дальнейшего исследования связи явления космических мазеров на переходах CH3OH и H2O с состоянием ассоциирующихся объектов будут проведены как теоретические исследования, так и анализ наблюдательных данных. В частности, рамках проекта планируется анализ уникальных данных об излучении галактических и внегалактических источников, полученных методом космической интерферометрии со сверхвысоким угловым разрешением в рамках проекта «РадиоАстрон». В рамках этого проекта в 2017 году по заявке сотрудников УрФУ при наблюдениях H2O мегамазера в галактике NGC 4258 был достигнут рекорд углового разрешения в астрономии, что является чрезвычайно важным не только для исследования космических мазеров, но и для определения возможностей построения надежной шкалы межгалактических расстояний.
Таким образом, в рамках данного проекта предполагается всестороннее исследование явления космических мазеров на переходах молекул CH3OH и H2O, которое представляет собой уникальный инструмент исследования важнейших астрофизических объектов в нашей и других галактиках. Исследование будет проводиться на уровне, соответствующем лучшим мировым стандартам, а в ряде направлений их превосходить.
Актуальность проекта определяется существенной интенсификацией наблюдательных и теоретических исследований в этой области в течение последних лет. Новизна исследований связана как с тем, что исследования будут направлены на объяснения результатов значимых наблюдательных открытий (наблюдательная связь между вспышками мазерного излучения и событиями в ИК диапазоне, открытия внегалактических мазеров CH3OH, достижение рекорда углового разрешения и др.) совершенных в 2017 году, так и с принципиальной новизной используемых методов (учет сверхтонкого расщепления уровней CH3OH, создание современной интерактивной базы данных и др.).
В ходе выполнения Проекта 2018 были получены важные результаты, связанные с наблюдательными и теоретическими исследованиями мазерного излучения и природы ассоциирующихся источников в межзвездной среде, особенно массивных молодых звездных объектах, и внегалактических объектах. В 2018 году была создана международная организация по мониторингу космического мазерного излучения M2O (Maser Monitoring Organisation, https://masermonitoring.org). Успешное функционирование этой организации подтверждает высокий интерес научного сообщества к исследованиям мазерного излучения. Теоретические исследования и разработки участников Проекта 2018 во многом определяют ход исследований в рамках М2О, обладающей высокими возможностями в плане проведения наблюдательных исследований. Взаимодействие участников Проекта 2018 с М2О инициировало получение большого количества наблюдательного материала на ведущих в мире астрономических инструментах, таких как сети радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами EVN, VLBA, LBA, KVN, KaVA и др., радиоинтерферометры ALMA, VLA, ATCA, стратосферная обсерватория SOFIA, космический телескоп Spitzer. Особо надо отметить ряд однозеркальных телескопов в Японии, Южной Африке, России, Латвии и др., ведущих непрерывный мониторинг в ряде мазерных линий, что позволяет отслеживать транзиентные явления типа вспышек. В 2020 году начал производиться регулярный мониторинг на одном из крупнейших радиотелескопов - 64м телескопе в Парксе, Австралия. Полученные результаты публикуются в наиболее высокорейтинговых журналах, включая журналы группы Nature. При этом большое количество полученного высококачественного материала требует дальнейшей обработки, интерпретации и теоретического осмысления, что предполагается сделать в рамках Проекта 2021.
Необходимо отметить, что для отслеживания и наблюдательного сопровождения транзиентных явлений в рамках М2О при соавторстве участников предполагаемого Проекта 2021 были написаны заявки на алертные наблюдения при помощи таких крупных инструментов, как сети радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами EVN, VLBA, LBA и KaVA. Заявки удовлетворены и ряд наблюдений уже проведен, в том числе наблюдения вспыхивающего объекта G34.196-0.592, обнаруженного участниками Проекта 2018 при наблюдениях на радиотелескопе РТ-22 в Пущино.
Кроме наблюдательных исследований высокую актуальность имеют предполагаемые в рамках Проекта 2021 теоретические работы и статистические исследования на основе баз данных, созданных в рамках Проекта 2018. Эти исследования, публикуемые в высокорейтинговых журналах имеют высокую эвристичность. Они не только объясняют, но и направляют наблюдательные исследования, составляют основу заявок на наблюдательное время крупнейших существующих и планируемых астрономических инструментов, в частности подготовлена заявка на космический телескоп JWST.