脉泽：微波波段的激光
1、脉泽与激光在电磁波谱中的定位
激光（Laser）作为日常生活中广泛应用的设备（如激光笔、激光打印机），其原理广为人知。与之相比，脉泽（Maser）作为激光在微波波段的物理原型（图1），由于工作波长远超可见光范围，其存在与重要性却鲜为人知。
图1：电磁波谱示意图。图中展示了电磁辐射按频率（或波长）的分布。人类视觉可感知的可见光仅覆盖约 380-750 纳米的狭窄波段。相比之下，微波波段典型波长范围约1毫米至1米，波长显著长于可见光。（图源：Wikipedia）
2、脉泽与激光的发明历程
1954年4月，Charles H. Townes及其团队在美国哥伦比亚大学首次在实验室中利用氨分子和不均匀电场成功实现了受激辐射的微波放大，即脉泽（Maser， Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation），其原理如图2所示。相关成果同年发表于《Physical Review》期刊（Gordon, Zeiger & Townes 1954），迅速引发研究热潮。值得注意的是，爱因斯坦早在1917年已提出受激辐射理论（Einstein 1917），但此后的数十年间，该理论并未在实验上得到实现与应用。Townes团队在研发初期也面临挑战：尽管有同行参观实验室并了解其工作进展，但普遍持观望态度，既未形成实质性合作，也未激发竞争性研究，只留下一句：“呦，看起来挺有意思”。
图2：Townes团队研制的首个氨分子脉泽实验装置示意图。图中展示了Townes团队利用非均匀电场分离氨分子的核心结构。空心圆代表处于激发态的氨分子（NH₃），实心圆代表基态分子。电场使不同能态分子发生空间分离，实现粒子数反转，为受激辐射放大（脉泽效应）创造条件。（图源：Townes, C.H. Nobel Lecture, 1964）
脉泽成功研制后，Townes将研究方向转向更高频率（更短波长）的相干辐射源。他与他的妹夫Arthur L. Schawlow合作，提出了将受激辐射原理拓展至光学波段的理论方案。与此同时，苏联科学家Nicolay G. Basov和Aleksandr M. Prokhorov也独立地开展了类似研究。在这些工作的共同推动下，第一台激光器于1960年问世。鉴于他们在发展脉泽与激光原理及技术方面的开创性贡献，Townes, Basov和Prokhorov共同荣获了1964年诺贝尔物理学奖（图3）。Schawlow则因其在激光光谱学领域的卓越工作，于1981年获得诺贝尔物理学奖。
图3：1964年诺贝尔物理学奖获得者。（图源：Nobel Prize Outreach 2025）
3、“激光”中文译名的确立
激光的英文全称“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）”沿袭了脉泽（Maser）的命名逻辑，仅将“Microwave”替换为“Light”。该名称若直译则显冗长（如“光的受激辐射放大器”）。钱学森提议可译为“激光”，并获得了学界的一致认可。在第三届光量子放大器学术会议上（1964年12月上海），“Laser”的中文译名正式确定为“激光”（王飞跃 2015），此译名简洁且准确反映了其物理本质。
4、研究历程中的质疑
在Townes团队历经数年研究尚未取得突破性进展的阶段，曾遭遇来自权威学者的质疑。同校的诺贝尔物理学奖得主Isidor Isaac Rabi (1944年获奖) 和Polykarp Kusch (1955年获奖) 在参观其实验室时，对未完成的实验装置提出批评，认为该研究“注定失败”（原文：“Charlie that’s not going to work, and you know it won’t work. You’re wasting the department’s money, and must stop.”）。Townes坚持己见，未终止研究。正如Townes后来所言，颠覆性的新构想常因其非源于主流而难以获得领域专家的认同（原文：“Completely new ideas are frequently played down by experts who don’t have them.” Townes 2011）。
宇宙中的“天然激光”：天体脉泽
1、Townes：从实验室脉泽到天体脉泽的先驱
Charles Hard Townes (1915-2015) 于2015年1月逝世。正如其传记作者所述（Price & Genzel 2016），Townes具有探索全新未知领域的强烈驱动力，常在奠定某领域的基础研究框架后，便转向其他新兴方向，为后续研究者开辟道路。
在成功发明脉泽与激光后，Townes积极推动这些技术在多个领域的应用，包括利用脉泽进行射电天文研究、将激光应用于红外天文学和干涉测量学，以及发展其在精密计时（原子钟）和地外通信等方面的潜力。
Townes勇于探索科学前沿，奠定基础性成果，其研究风格堪称当代科研工作者的典范。
2、射电天文学的开端与星际分子的理论预言
1931年，Karl Jansky首次探测到地外射电源（图4），标志着射电天文学的诞生。然而在早期，该领域并未立即获得主流天文学界的充分重视。1955年，Townes发表论文，基于理论分析预言星际空间中可能存在氨分子（NH₃）、一氧化碳分子（CO）等，并计算了其可能的跃迁频率（Townes 1957）。这一预言在当时颇具挑战性，因为普遍观点认为星际介质气体密度过低且紫外辐射场过强，分子难以大量存在或有效探测。彼时，Townes本人正专注于激光器的研发，无暇亲自开展射电天文观测。
图4：射电天文学之父Karl Jansky和他的天线。（图源：NRAO/AUI/NSF）
3、星际氨分子与水脉泽的突破性发现
1967年，Townes转至加利福尼亚大学伯克利分校，得以深入涉足红外与射电天文学研究。此时，在射电天文领域，星际空间内只探测到羟基（OH）分子（Weinreb et al. 1963）。1968年，Townes团队使用6米射电望远镜观测银河系中心区域未果，但随即在邻近的人马座B2（Sagittarius B2）分子云中成功探测到氨分子（NH₃）的谱线信号（Cheung et al. 1968）。这一发现直接证实了Townes此前的预言，并有力挑战了当时对星际介质低密度、不利于分子存活的认知。
基于氨分子谱线频率的邻近性，团队随后将观测目标转向水分子（H₂O），并在人马座B2中成功探测到其信号。这促使团队进一步在其他天体源中搜寻水分子，以探究其在星际空间中的分布。
1968年圣诞假期的一个晚上，博士生Al Cheung独自进行观测时，在猎户座大星云（Orion Nebula）探测到异常强烈的水分子（H₂O）的发射谱线，其强度远超此前在人马座B2中的探测结果（约强20倍，图5）。Cheung立即通过电话向正在参加派对的Townes报告了这一发现，并激动地形容道：“It must be raining in Orion! It has a very strong water line.”。这一突破性发现极大地振奋了整个团队。鉴于其异常强度，团队推测该辐射可能源于受激辐射放大机制，即水分子脉泽。后续Knowles等人利用海军研究实验室26米射电望远镜进行的高分辨率观测，不仅确认了信号的强度，还探测到其随时间变化的特性（Knowles et al. 1969），进一步确认了星际空间中存在水脉泽。
图5：人马座B2（左）和猎户座星云（右）里的水脉泽。（图源：Cheung et al.1969）
4、错失发现机遇的遗憾
在Townes团队宣布星际氨分子发现后不久，哈佛大学的Norman Ramsey教授向Townes表示祝贺，同时透露了一段遗憾：Ramsey曾计划开展星际氨分子搜寻工作，并将其分配给一名博士生作为论文课题。然而，诺贝尔物理学奖得主Ed Purcell (1952年获奖) 向该学生断言探测星际氨分子信号是不可能的，导致该学生放弃了研究计划，Ramsey也未能继续推动此工作 (Townes 2006, Riess 1994)。Ramsey后来因原子钟相关研究获得1989年诺贝尔物理学奖。
水脉泽的发现也存在类似的“擦肩而过”。美国国家射电天文台（NRAO）当时拥有美国最大的射电望远镜设备。博士后Lew Snyder和David Buhl曾提交观测提案申请搜寻星际水分子，但未获批准。然而，他们随后于1969年利用NRAO望远镜成功发现了星际甲醛分子（H₂CO）（Snyder et al. 1969），这是人类在星际空间探测到的首个有机分子，对天体化学研究具有里程碑意义。这一发现也凸显了那个时代射电天文学机遇与挑战并存的特点。
5、星际氨脉泽的探测历程
尽管实验室脉泽始于氨分子系统，但星际空间中氨脉泽的探测却相对滞后。首个星际亚稳态氨脉泽（(J,K)=(3,3)）于1982年由Wilson等人发现（Wilson et al. 1982），首个非亚稳态氨脉泽（(J,K)=(9,6)）则直到1986年才由Madden等人探测到（Madden et al. 1986， 图6）。需要指出的是，氨(3,3)脉泽是目前唯一一种在实验室环境和星际空间均被观测到的脉泽跃迁。
图6：第一个亚稳态氨脉泽（左）和非亚稳态氨脉泽（右）。（图源：Wilson et al.1982, Madden et al. 1986）
6、作者团队突破：宽频巡天引领氨脉泽样本倍增
截至2021年（见图7），银河系内仅27个天体源检测到氨脉泽辐射，且其中仅8个源存在非亚稳态氨脉泽。2020年，作者团队利用德国Effelsberg 100米射电望远镜[1]意外探测到3个新的氨脉泽源。该望远镜于2018年完成了K波段接收机升级，能够一次性覆盖18-26 GHz的宽频带（带宽8 GHz），这极大提升了谱线探测的能力。
为获取其精确位置信息，团队随后成功申请并使用美国甚大天线阵（Karl G. Jansky Very Large Array, JVLA）进行了观测，相关成果发表于2022年（Yan et al. 2022a,b）。同时，团队还成功申请并利用Effelsberg望远镜于2022年11月至2023年7月间开展了针对氨脉泽的系统搜寻观测（观测期间望远镜风景照见图8）。此次系统搜寻观测取得了丰硕成果：新发现了14个非亚稳态氨脉泽源和2个亚稳态氨脉泽源（Yan et al. 2024）。这一发现使得银河系内已知的非亚稳态氨脉泽源数量增加了一倍以上。
图7：星际空间中氨脉泽的探测情况统计。纵坐标为氨脉泽探测数量总和，横坐标为相关论文发表年份。（图源：作者博士论文）
图8：作者搜寻氨脉泽观测期间的Effelsberg 100-m射电望远镜。（图源：作者博士论文）
7、高分辨率观测对非亚稳态氨脉泽激发机制的启示
基于作者团队利用Effelsberg与JVLA开展的高分辨率观测，新发现的非亚稳态氨脉泽源常与已知的水脉泽源具有一致的速度，部分在空间位置上也存在邻近关系。鉴于水脉泽通常与分子外向流活动相关联，这一现象暗示非亚稳态氨脉泽可能也受到类似的碰撞激发。值得注意的是，在人马座B2（Sgr B2）和G34.26+0.15这两个截然不同的恒星形成区中，氨脉泽均表现出特定的空间分布模式：紧密邻近彗星状超致密HII区（ultracompact HII region, UCH II）的头部（图9）。此外，氨脉泽的速度相对于邻近区域呈现出系统性红移或蓝移。基于这些观测特征，研究团队提出，外向流或超致密HII区的膨胀运动可能是激发这些非亚稳态氨脉泽的关键机制（Yan et al. 2022a, b）。
图9：G34.26+0.15 与人马座 B2(S) 中脉泽的空间-速度分布与多波段环境。其中颜色梯度显示了脉泽视向速度的分布。左图中的背景是Spitzer空间望远镜探测到的4.5μm的辐射，白色等高线以及右图中的黑色等高线以及背景是甚大天线阵（JVLA）测到的厘米波的连续谱。（图源：Yan et al. 2022a,b）
8、拓展观测的契机：NASA深空探测网络的协作可能
2022年1月4日，即团队首篇氨脉泽研究预印本发布于arXiv后不久，作者收到NASA喷气推进实验室（JPL）深空探测网络（Deep Space Network, DSN，图10展示了DSN全球站点分布）首席科学家Joseph Lazio博士的邮件。Lazio博士注意到该研究成果，主动提出可利用DSN位于澳大利亚的70米射电望远镜（DSS-43）协助开展南天区大质量恒星形成区氨脉泽搜寻工作，并在邮件中邀请提交观测提案。他同时介绍了DSS-43望远镜近期升级的K波段接收机具备覆盖17-27 GHz宽频带（带宽10 GHz）的能力。团队对此合作机会深感兴趣，迅速完成并提交了观测提案且获得批准。然而，由于DSN需优先保障深空探测任务（包括但不限于与旅行者1号、2号（1977年发射）及詹姆斯·韦伯空间望远镜（2021年发射）的通信），分配给此项研究的观测时间极为有限。截至目前（指文章撰写时），观测计划仅完成了约40%。尽管当前数据获取受限于深空探测任务优先级，团队预期待DSN观测窗口充裕时，依托其独特的南天覆盖能力与10 GHz瞬时带宽优势，将实现对银河系内未探区域的高效巡天。这批数据有望与北天Effelsberg样本互补，揭示氨脉泽在银河系恒星形成区的全天分布。
图10：NASA深空探测网络的望远镜。（图源：NASA JPL, https://eyes.nasa.gov/apps/dsn-now/dsn.html ）
9、非亚稳态氨脉泽激发机制：未解之谜与研究展望
非亚稳态氨脉泽的具体激发机制仍是当前研究的未解之谜。作者团队计划持续开展相关研究，旨在获取更丰富的观测数据并构建更完善的理论模型，以期最终揭示其物理本质。这一难题的解决将进一步深化对恒星形成区极端物理条件的理解。
结语
自1931年Karl Jansky开创性探测到地外射电信号起，射电天文学已取得长足发展。广阔宇宙中仍蕴藏着大量未解之谜，为新一代研究者提供了持续探索的丰富机遇。不断革新的观测技术与深入的理论研究，必将引领人类对宇宙的认识迈向新的高度。
[1]Effelsberg 100米射电望远镜始建于1971年，1972年投入运行。得益于持续的维护与升级，该望远镜在运行五十余年后，仍位居世界最先进射电望远镜之列。
作者简介
主编：杨嫒媛
审核：田斌