Hvad er brintlinien?
Brintlinien refererer generelt til radiofrekvensemissionerne af kold brintgas i det interstellare rum. Der er enorme mængder brint, der flyder rundt i vores galakse og i andre galakser. En del af denne gas opvarmes af nærliggende stjerner, hvilket får den til at udsende elektromagnetisk stråling i det synlige spektrum - med andre ord lys. Meget af det er imidlertid langt fra enhver varmekilde, men er ikke desto mindre synlig på grund af det faktum, at det udsender elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på 21,3 centimeter inden for spektrets radiodel. Dette er kendt som 21 centimeter linjen eller brintlinjen, og dens eksistens blev forudsagt af den hollandske astronom Hendrik van de Hulst i 1944.
I henhold til kvante teori kan elektronerne i et atom kun have visse faste energiniveau uden noget derimellem. Det laveste energiniveau kaldes ”jordtilstand”. Elektroner kan absorbere energi, hvilket får dem til at "hoppe" til et højere energiniveau, men før eller senere falder de tilbage til et lavere niveau og til sidst til jordtilstanden , med den tid, der tages omvendt proportionalt med mængden af overskydende energi. Når et elektron falder et niveau, frigøres den ekstra energi som elektromagnetisk stråling med en frekvens, der svarer til energiforskellen mellem de to niveauer.
Frekvensen af elektromagnetisk stråling er proportional med dens energi: jo større energi, jo højere frekvens. Dette forhold er beskrevet af Plancks ligning: E = hf, hvor E er energien, f er frekvensen og h er Plancks konstante, som har en værdi på ca. 6,626 * 10 -34 joule-sekunder. Bølgelængden kan beregnes som blot lysets hastighed divideret med frekvensen. Når en elektron falder fra et højere til et lavere energiniveau, udsendes elektromagnetisk stråling med en bestemt, fast frekvens og bølgelængde, der er relateret til forskellen i energi. Denne stråling viser som smalle linier på et emissionsspektrum.
Hvert element har et karakteristisk, unikt emissionsspektrum, der består af en række linjer ved specifikke bølgelængder. Hydrogenspektralserien indeholder et antal spektrallinjer, hvoraf fire er inden for den synlige del af spektret. En af disse, en rød linje kaldet H-alpha, er meget brugt i astronomi til at detektere ioniseret brint i tåger. Disse emissionslinjer for brint kan hver betragtes som en brintlinie, men udtrykket refererer mere normalt til radioemissionen, der produceres af kold brintgas med en bølgelængde på 21 centimeter. Dette skyldes en anden fysisk proces. De samme regler for energi, frekvens og bølgelængde gælder dog stadig.
Elektroner og protoner har en kvanteegenskap kaldet “spin”, der kan have to mulige retninger. Da et hydrogenatom består af et proton og et elektron, kan det have de to spins i samme retning eller i forskellige retninger. I det tidligere tilfælde har atomet lidt mere energi og vil til sidst falde til en lavere energitilstand ved at elektronet skifter dets omdrejningstal. Den ekstra energi udsendes som elektromagnetisk stråling, og da energiforskellen er lille, har strålingen en lang bølgelængde og lav frekvens: henholdsvis 21 centimeter og 1420,4 MHz. Den lille energiforskel betyder også, at ethvert givet brintatom i samme spin-tilstand i gennemsnit vil tage meget lang tid - flere millioner år - at falde til en modsat spins-tilstand; der er dog så meget koldt brint i en galakse, at der på et hvilket som helst tidspunkt nok brintatomer udsender 21 centimeter radiobølger til, at disse kan detekteres.
21 centimeter linjen blev opdaget i 1951 af Harold Ewen og Edward Purcell. Det har vist sig at være af afgørende betydning i radioastronomi. Meget af vores galakse er skjult for synet af store skyer af støv, der ikke tillader lys fra stjerner at passere gennem dem. Radiobølger er imidlertid ikke forhindret af støvskyer, og da der er en stor overflod af koldt brint i galaksen, er det muligt at observere og kortlægge galaksen ved hjælp af radioemissioner ved brintlinien. Radioastronomi ved hjælp af brintlinien har gjort det muligt for os at bestemme størrelsen, formen og strukturen af vores galakse.
Brintlinien har også stor betydning for søgningen efter ekstra terrestrisk intelligens (SETI). Det menes meget muligt, at en teknologisk avanceret civilisation muligvis bruger denne frekvens til at forsøge at kommunikere med andre civilisationer. Frekvensen er ikke kun brugt til at lytte til indgående beskeder, men også til at sende dem. Pioneer 10 og 11 rumfartøjet, der er bestemt til at drive ubestemt tid gennem det interstellare rum, indeholder plaques, der viser brintlinien, dens bølgelængde, dens frekvens og fysikken bag det. Det repræsenterer en måleenhed, som det antages, at udlændinge muligvis forstår.