Maser e' l'acronimo inglese di "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation", ovvero Amplificazione di Microonde tramite Emissione Stimolata di Radiazione. Il fenomeno maser e' l'analogo di quello laser, operante pero' nella regione delle microonde, ossia nella banda radio, dello spettro elettromagnetico.

Il primo maser e' stato prodotto per la prima volta in laboratorio nel 1953 e successivamente rilevato in sorgenti astronomiche nel 1963.

Il principio fisico alla base di questa emissione e' quello dell'inversione di popolazione (figura a lato), ossia considerando semplicemente un sistema costituito da due livelli energetici discreti, il numero di molecole nel livello energetico inferiore e' minore di quello di molecole nel livello superiore, contrariamente a quello che accade solitamente negli ambienti gassosi con cui tipicamente abbiamo a che fare. La radiazione che attraversa una nube dove il gas molecolare e' in condizione di 'inversione', invece di uscirne diminuita in intensita' (come siamo solitamente abituati ad osservare, si pensi in maniera un po' fantasiosa a una nuvola di fumo denso fra noi e una sorgente luminosa), ne uscira' invece fortemente amplificata. Questo e' il fenomeno maser.

La condizione di inversione di popolazione si verifica in maniera naturale in particolari ambienti astronomici, in cui sia presente una sorgente energetica detta 'pompa' del maser. La pompa dei maser astronomici puo' essere di tipo radiativo (ossia una sorgente di radiazione vicino alla nube maser) o collisionale (ad esempio delle compressioni, o shock, del mezzo nella nube maser).

Molte molecole producono righe di emissione maser (acqua, ammoniaca, metanolo, etc...). Fra queste, il maser astronomico prodotto dalla molecola dell'acqua H2O e' uno dei piu' intensi e spettacolari. La riga di emissione maser dell'acqua, prodotta alla frequenza di 22 GHz (osservabile con i radiotelescopi) e' stata rilevata in varie sorgenti astronomiche sia nella nostra Galassia che in altre galassie, alcune lontanissime. I maser osservati appunto nella nostra galassia sono associati a regioni di formazione stellare o a stelle negli ultimi stadi evolutivi, con luminosita' relativamente basse (inferiori alla luminosita' emessa dal nostro sole).
In altre galassie, soprattutto in quelle galassie chiamate attive e che hanno nuclei molto brillanti a causa della presenza al loro interno di buchi neri supermassicci (con masse fino al miliardo di volte la massa del sole) sono stati invece osservati maser dell'acqua intensissimi (con luminosita' decine di migliaia di volte quella solare), e per questo chiamati 'megamaser'.
Studi dettagliati di queste sorgenti radioastronomiche hanno permesso di comprendere che questa emissione maser cosi' intensa era prodotta prorpio nelle regioni nucleari della galassia nel disco di accrescimento che circonda il buco nero centrale e vi convoglia la materia si cui il buco nero si 'alimenta' oppure all'interazione dei getti di plasma relativistico (anch'essi osservabili con i radiotelescopi) che vengono 'sparati' via a velocita' incredibili (qualce decimo della velocita' della luce) proprio dalla zona dove si trova il buco nero.

Le particolari caratteristiche dei maser dell'acqua nucleari, come l'elevata luminosita' e la compattezza dell'emissione li rendono uno strumento ideale per fornire informazioni molto dettagliate sulla struttura spaziale del nucleo di queste galassie attive e quindi sul 'mostro centrale' (il buco nero supermassiccio) che vi e' ospitato.

Nell'immagine in alto: NGC4258, la galassia prototipo del megamaser H2O di disco. [Crediti: NRAO/AUI and Gerald Cecil and Holland Ford.]

Nell'immagine in basso: un dettaglio del modellino di questo maser in NGC4258.Crediti: NRAO/AUI

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