Co je vodíková linie?
Vodíkové vedení obecně odkazuje na vysokofrekvenční emise studeného vodíkového plynu v mezihvězdném prostoru. V naší galaxii a dalších galaxiích se vznáší obrovské množství vodíku. Část tohoto plynu je zahřívána blízkými hvězdami, což způsobuje, že vyzařuje elektromagnetické záření ve viditelném spektru - jinými slovy světlo. Hodně z toho, je však daleko od zdroje tepla, je však přesto detekovatelný vzhledem k tomu, že emituje elektromagnetické záření o vlnové délce 8,3 palců (21,1 centimetrů), v rámci rádiové části spektra. Toto je známé jako 21 centimetrová linie nebo vodíková linie a její existenci předpověděl v roce 1944 nizozemský astronom Hendrik van de Hulst.
Podle kvantové teorie mohou mít elektrony v atomu pouze určité pevné energetické hladiny, mezi nimiž nic není. Nejnižší úroveň energie je známý jako „základní stav“. Elektrony mohou absorbovat energii, přimět je, aby „skok“ do vyšší energetické hladiny, ale dříve nebo později, budou padat zpět na nižší úroveň, a nakonec do základního stavu , s časem nepřímo úměrným množství přebytečné energie. Když elektron klesne na úroveň, uvolní se další energie jako elektromagnetické záření s frekvencí, která odpovídá rozdílu energie mezi těmito dvěma úrovněmi.
Frekvence elektromagnetického záření je úměrná jeho energii: čím větší je energie, tím vyšší je frekvence. Tento vztah je popsán Planckova rovnice: E = HF, kde E je energie, f je frekvence a h je Planckova konstanta, která má hodnotu přibližně 6,626 x 10 -34 Joule-sekund. Vlnovou délku lze vypočítat jednoduše jako rychlost světla dělenou frekvencí. Když tedy elektron klesne z vyšší na nižší energetickou úroveň, bude emitováno elektromagnetické záření s určitou pevnou frekvencí a vlnovou délkou, vztahující se k rozdílu v energii. Toto záření se ukazuje jako úzké čáry na emisním spektru.
Každý prvek má charakteristické, jedinečné emisní spektrum sestávající z řady čar na specifických vlnových délkách. Vodíková spektrální řada obsahuje řadu spektrálních čar, z nichž čtyři jsou ve viditelné části spektra. Jedna z nich, červená čára známá jako H-alfa, se v astronomii hodně používá k detekci ionizovaného vodíku v mlhovinách. Tato emisní vedení pro vodík lze každý považovat za vodíkové vedení, ale termín se obvykle vztahuje na rádiové vyzařování produkované studeným vodíkovým plynem při vlnové délce 21 centimetrů. Důvodem je odlišný fyzický proces. Stejná pravidla týkající se energie, frekvence a vlnové délky však stále platí.
Elektrony a protony mají kvantovou vlastnost známou jako „spin“, která může mít dva možné směry. Protože atom vodíku sestává z jednoho protonu a jednoho elektronu, může mít dvě otočení ve stejném směru nebo v různých směrech. V prvním případě má atom o něco více energie a nakonec elektronem, který přepne jeho spinu, klesne do nižšího energetického stavu. Extra energie je emitována jako elektromagnetické záření a protože energetický rozdíl je malý, záření má dlouhou vlnovou délku a nízkou frekvenci: 21 centimetrů a 1420,4 MHz. Malý energetický rozdíl také znamená, že jakýkoli daný atom vodíku ve stejném odstředivém stavu bude v průměru trvat velmi dlouho - několik milionů let -, než klesne do stavu opačných točení; v galaxii je však tolik studeného vodíku, že v každém okamžiku bude dostatek atomů vodíku emitovat radiové vlny 21 centimetrů, aby byly detekovatelné.
Linka 21 centimetrů byla objevena v roce 1951 Haroldem Ewenem a Edwardem Purcellem. Ukázalo se, že má zásadní význam v radioastronomii. Většina naší galaxie je před pohledem skryta velkými oblaky prachu, které nedovolují, aby skrze ně procházelo světlo hvězd. Rádiové vlny však neblokují prachové mraky a protože v galaxii je velké množství studeného vodíku, je možné galaxii pozorovat a mapovat pomocí rádiových emisí na vodíkové linii. Radioastronomie pomocí vodíkové čáry nám umožnila určit velikost, tvar a strukturu naší galaxie.
Vodíková čára má také velký význam pro hledání extra pozemské inteligence (SETI). Je velmi možné, že technologicky vyspělá civilizace může tuto frekvenci použít k pokusu o komunikaci s jinými civilizacemi. Frekvence se používá nejen k poslechu příchozích zpráv, ale také k jejich odesílání. Kosmická loď Pioneer 10 a 11, která je určena k nekonečnému driftování mezihvězdným prostorem, obsahuje plakety znázorňující vodíkovou linii, její vlnovou délku, frekvenci a fyziku za ní. Představuje měrnou jednotku, o které se věří, že by jí mohli mimozemšťané rozumět.