Мазерный эффект в космосе – усиление интенсивности проходящего через космическую среду радиоизлучения за счёт индуцированного испускания резонансных фотонов возбуждёнными молекулами среды. Для мазерного эффекта необходимо, чтобы число молекул среды, находящихся на верхнем резонансном уровне энергии, превосходило число молекул, находящихся на нижнем уровне. Только при такой, инверсной, населённости уровней индуцированное испускание фотонов будет преобладать над их поглощением и проходящее сквозь среду излучение будет не ослабляться, а усиливаться. Однако инверсия населённости невозможна при равновесном распределении Больцмана. Поэтому нужна непрерывная энергетическая накачка молекул, переводящая их с нижнего на верхний уровень. В отличие от спонтанного (самопроизвольного) излучения, индуцированное (стимулированное) излучение молекул характеризуется тем же направлением распространения, той же частотой и поляризацией, что и исходное, индуцирующее излучение. Этим обусловлены характерные особенности мазерного излучения. Источники мазерного излучения – мазеры – своё наименование получили по начальным буквам их английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление микроволн (излучение сверхвысокой частоты) за счёт индуцированного излучения.

Космические мазеры были открыты в 1965 г. Учёные обнаружили в спектрах радиоизлучения некоторых источников (туманность Ориона, Стрелец В2, W3, W49 и др.) очень интенсивные узкие линии излучения с λ = 18 см. Первоначально полагали, что эти линии порождены каким-то неизвестным, но широко распространённым в космосе веществом, которое назвали "мистериумом", но дальнейшие исследования показали, что линии принадлежат межзвёздному гидроксилу ОН. Аномальные свойства (чрезвычайная узость и высокая интенсивность) обусловлены мазерным механизмом излучения. В 1969 г. были открыты ещё более мощные источники космического мазерного излучения с λ = 1,35 см, работающие на молекулах водяного пара Н₂О. В 1974 – 1975 гг. были обнаружены мазерные источники, работающие на молекулах оксида кремния SiO и метилового спирта CH₃OH. Наблюдаемые линии молекулярных космических мазеров соответствуют в случае гидроксила ОН переходам между уровнями Λ-дублетов основного и нижних вращательных уровней молекул (рис.1), а в других случаях – переходам между вращательными уровнями основного колебательного состояния молекул Н₂О и СН₃ОН или возбужденного колебательного состояния молекул SiO.

Интенсивность излучения космических мазеров соответствует аномально высокой яркостной температуре, до 10¹³ – 10¹⁵ К. Каждой линии в спектре ОН мазера (рис.2), имеющей частоту ν, отвечает большое число очень узких (∆ν/ν=3*10^-7 – 5*10^-6) эмиссионных компонентов, порождённых излучением отдельных субисточников ("пятен") малых размеров (~ 10¹¹ – 10¹⁵ см), расположенных в области радиусом 10¹⁶ – 10¹⁷ см и движущихся с различными скоростями (скорости отличаются на величину 5 – 300 км/с).

Мазеры могут быть как остронаправленными, так и более или менее изотропными. В последнем случае наблюдаемые угловые размеры источника излучения оказываются значительно меньше угловых размеров объема, где происходит усиление. Особенно велик этот эффект для насыщенных мазеров, где в видимом центре шарообразного газового объема будет наблюдаться горячее пятно, диаметр которого в десятки раз меньше диаметра облака. Образно можно представить себе излучение такого сферического мазера в виде своеобразного «ежика» (рис. 1, а) в отличие от «обыкновенного» излучателя, схематически представленного на рис. 1, б). Если усиливающая излучение область имеет цилиндрическую форму, то излучение будет выходить преимущественно из торцов цилиндра, т. е. оно будет достаточно направленным.

К 1963 г., т. е. за два года до открытия поставившего всех в тупик сигнала из Туманности Ориона, гидрокеил был единственной молекулой, обнаруженной в межзвездном пространстве. Молекулы гидроксила в облаке холодного газа выдали себя по поглощению радиоизлучения Кассиопеи А — остатка взрыва Сверхновой. Они были причиной обнаружившего их «провала» (или линии поглощения) в радиодиапазоне на частоте 1,667 Мгц, которая соответствует длине волны 18 см. Это открытие вызвало широкий поиск линий поглощения гидроксила в других областях космического пространства. Об этих областях было известно, что они освещаются сзади мощными радиоисточниками. Также казалось возможным, что если молекулы гидроксила присутствуют в достаточном количестве, то они могут быть обнаружены по их слабому излучению на частоте 1,667 Мгц. Возможными кандидатами считались облака, про которые было известно, что они должны быть богаты атомарным водородом (Н). Однако из областей, которые первоначально предполагались многообещающими, не было обнаружено никакого излучения молекул гидроксила.

Открытие линий излучения молекул гидроксила в космическом пространстве принадлежит радиоастрономам из Калифорнийского университета в Беркли. Они наблюдали Туманность Ориона, представляющую собой обширную область ионизованного водорода, удаленную от нас приблизительно на 1500 световых лет. В действительности они рассчитывали найти линии поглощения гидроксила. Причиной их первого недоумения было то, что обнаруженная линия излучения оказалась не только намного сильнее всего, что ожидалось найти, но также имела непредвиденное зна¬чение частоты, равное 1,665 Мгц. Хотя эта линия и является одной из четырех линий излучения, характерных для основного состояния (состояния с наименьшей энергией) молекулы гидроксила, но обычно она в два раза слабее линии с частотой 1,667 Мгц. В радиоспектре Туманности Ориона линия 1,667 Мгц странным образом отсутствовала. Остальные две линии основного состояния молекулы гидроксила лежат на 1,612 и 1,720 Мгц Так как в лабораторных условиях их интенсивность составляет одну девятую интенсивности линии с частотой 1,667 Мгц, то не ожидалось, что они будут обнаружены. Для того чтобы объяснить, почему молекула может излучать линию при 1,665 Мгц без генерации более яркой линии на 1,667 Мгц, астрономы прибегли к гипотезе мистериума.

В результате дальнейшего изучения линии излучения в Туманности Ориона и наблюдения аналогичных линий в спектрах других туманностей астрономы из Беркли были вынуждены сделать странный вывод о том, что они обнаружили первый природный мазер. Какие-либо сомнения, которые могли оставаться, были рассеяны после того, как астрономы сумели определить видимую температуру области, излучающей мазерным образом. Видимая температура — это та температура, до которой должна быть нагрета в тепловом равновесии совокупность молекул гидроксила для того, чтобы испускать наблюдаемое количество энергии в линии излучения. Приблизительная оценка температуры приводит к значению 10¹³ °К. Так как молекулы разрушаются при намного более низких температурах, то нарисованная картина ясно указывает на то, что обычные правила термодинамики здесь неприменимы. Линии излучения в Туманности Ориона должны быть результатом нетепловых процессов. Единственным приемлемым объяснением был мазер.