Was ist die Wasserstofflinie?
Die Wasserstofflinie bezieht sich im Allgemeinen auf die Funkfrequenzemissionen von kaltem Wasserstoffgas im interstellaren Raum. In unserer Galaxie und in anderen Galaxien schweben große Mengen an Wasserstoff herum. Ein Teil dieses Gases wird von nahe gelegenen Sternen erhitzt, was dazu führt, dass es elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum ausgibt - mit anderen Worten, Licht. Ein Großteil davon ist jedoch weit entfernt von jeder Wärmequelle, aber dennoch erfasst es, weil es im Funkabschnitt des Spektrums eine elektromagnetische Strahlung in einer Wellenlänge von 8,3 Zoll (21,1 Zentimeter) abgibt. Dies ist als 21 Zentimeterlinie oder die Wasserstofflinie bekannt, und ihre Existenz wurde 1944 vom niederländischen Astronom Hendrik van de Hulst vorhergesagt.
Nach der Quantentheorie können die Elektronen in einem Atom nur bestimmte feste Energieniveaus haben, ohne dazwischen. Das niedrigste Energieniveau wird als „Grundzustand“ bezeichnet. Elektronen können Energie absorbieren und dazu führen, dass sie zu einem höheren Energieniveau „springen“, aber früheroder später fallen sie auf ein niedrigeres Niveau und schließlich in den Grundzustand, wobei die Zeit umgekehrt proportional zur Menge an überschüssiger Energie benötigt wird. Wenn ein Elektron auf ein Niveau sinkt, wird die zusätzliche Energie als elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz freigesetzt, die der Energiedifferenz zwischen den beiden Ebenen entspricht.
Die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung ist proportional zu seiner Energie: Je größer die Energie ist, desto höher ist die Frequenz. Diese Beziehung wird durch Plancks Gleichung beschrieben: E = HF, wobei E die Energie ist, f die Frequenz und H Plancks Konstante ist, die einen Wert von ungefähr 6,626 * 10 -34 Joule-Sekunden aufweist. Die Wellenlänge kann einfach als Lichtgeschwindigkeit berechnet werden, die durch die Frequenz geteilt wird. So fällt ein Elektron von einem höheren auf einen niedrigeren Energieniveau, elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten festen Frequenz und Wellenlänge, verwandtzum Energieunterschied wird emittiert. Diese Strahlung zeigt als schmale Linien in einem Emissionsspektrum.
Jedes Element hat ein charakteristisches, eindeutiges Emissionsspektrum, das aus einer Reihe von Linien bei bestimmten Wellenlängen besteht. Die Wasserstoffspektralserie enthält eine Reihe von Spektrallinien, von denen vier im sichtbaren Teil des Spektrums liegen. Eine davon, eine rote Linie, die als H-Alpha bekannt ist, wird in der Astronomie zum Nachweis ionisierter Wasserstoff in Nebel häufig verwendet. Diese Emissionsleitungen für Wasserstoff können jeweils als Wasserstofflinie angesehen werden, aber der Begriff bezieht sich normalerweise auf die Funkemission, die durch kaltes Wasserstoffgas bei einer Wellenlänge erzeugt wird von 21 Zentimetern. Dies ist auf einen anderen physischen Prozess zurückzuführen. Die gleichen Regeln für Energie, Frequenz und Wellenlänge gelten jedoch weiterhin.
Elektronen und Protonen haben eine Quanteneigenschaft, die als „Spin“ bezeichnet wird und zwei mögliche Anweisungen haben kann. Da ein Wasserstoffatom aus einem Proton und einem Elektron besteht, kann es die beiden Drehungen im SAM habenE Richtung oder in unterschiedliche Richtungen. Im ersteren Fall hat das Atom etwas mehr Energie und wird schließlich durch den Elektronen -Schalter seinen Spin auf einen niedrigeren Energiezustand fallen. Die zusätzliche Energie wird als elektromagnetische Strahlung emittiert, und da die Energiedifferenz gering ist, hat die Strahlung eine lange Wellenlänge und eine niedrige Frequenz: 21 Zentimeter bzw. 1420,4 MHz. Die kleine Energiedifferenz bedeutet auch, dass ein bestimmtes Wasserstoffatom im gleiche Spinzustand im Durchschnitt sehr lange dauern wird-mehrere Millionen Jahre-, um in einen Gegenteil zu fallen. In einer Galaxie gibt es jedoch so viel kaltes Wasserstoff, dass zu jeder Zeit genug Wasserstoffatome 21 Zentimeter -Funkwellen emittieren, damit diese nachweisbar sind.
Die 21 Zentimeterlinie wurde 1951 von Harold Ewen und Edward Purcell nachgewiesen. Es hat sich als von entscheidender Bedeutung für die Radioastronomie als von entscheidender Bedeutung erwiesen. Ein Großteil unserer Galaxie ist durch große Staubwolken, die das Licht von Sternen nicht zulassendurch sie zu passieren. Funkwellen werden jedoch nicht durch Staubwolken behindert, und da es in der Galaxie eine große Fülle an kaltem Wasserstoff gibt, ist es möglich, die Galaxie unter Verwendung von Radioemissionen an der Wasserstofflinie zu beobachten und abzubilden. Die Funkastronomie unter Verwendung der Wasserstofflinie hat es uns ermöglicht, die Größe, Form und Struktur unserer Galaxie zu bestimmen.
Die Wasserstofflinie hat auch eine große Bedeutung für die Suche nach zusätzlicher terrestrischer Intelligenz (SETI). Es wird sehr möglich, dass eine technologisch fortgeschrittene Zivilisation diese Häufigkeit nutzen kann, um zu versuchen, mit anderen Zivilisationen zu kommunizieren. Die Frequenz wurde nicht nur verwendet, um auf eingehende Nachrichten zuzuhören, sondern sie auch zu senden. Das Raumschiff Pioneer 10 und 11, die dazu bestimmt sind, auf unbestimmte Zeit durch den interstellaren Raum zu driften, enthalten Plaques, die die Wasserstofflinie, seine Wellenlänge, seine Frequenz und die Physik dahinter darstellen. Es stellt eine Messeinheit dar, von der angenommen wird, dass sie Aliens verstehen könnten.