Was ist die Wasserstoffleitung?
Die Wasserstofflinie bezieht sich im Allgemeinen auf die Hochfrequenzemissionen von kaltem Wasserstoffgas im interstellaren Raum. In unserer Galaxie und in anderen Galaxien schweben riesige Mengen Wasserstoff. Ein Teil dieses Gases wird von nahegelegenen Sternen erwärmt, wodurch elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum, also Licht, emittiert wird. Ein Großteil davon ist jedoch weit entfernt von jeglicher Wärmequelle, kann jedoch trotzdem festgestellt werden, da elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 8,3 Zoll (21,1 Zentimeter) innerhalb des Funkbereichs des Spektrums emittiert wird. Dies ist als die 21-Zentimeter-Linie oder die Wasserstoff-Linie bekannt, und ihre Existenz wurde 1944 vom niederländischen Astronomen Hendrik van de Hulst vorhergesagt.
Nach der Quantentheorie können die Elektronen in einem Atom nur bestimmte feste Energieniveaus haben, ohne dass dazwischen etwas liegt. Das niedrigste Energieniveau wird als „Grundzustand“ bezeichnet. Elektronen können Energie absorbieren und dadurch auf ein höheres Energieniveau „springen“. Früher oder später fallen sie jedoch auf ein niedrigeres Niveau und schließlich auf den Grundzustand zurück mit der Zeit, die umgekehrt proportional zur Menge der überschüssigen Energie ist. Wenn ein Elektron einen Pegel absenkt, wird die zusätzliche Energie als elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz freigesetzt, die der Energiedifferenz zwischen den beiden Pegeln entspricht.
Die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung ist proportional zu ihrer Energie: Je höher die Energie, desto höher die Frequenz. Diese Beziehung wird durch die Plancksche Gleichung beschrieben: E = hf, wobei E die Energie ist, f die Frequenz ist und h die Plancksche Konstante ist, die einen Wert von ungefähr 6,626 · 10 & supmin; & sup4; Joule-Sekunden hat. Die Wellenlänge kann einfach als Lichtgeschwindigkeit geteilt durch die Frequenz berechnet werden. Wenn also ein Elektron von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau fällt, wird elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten festen Frequenz und Wellenlänge in Bezug auf die Energiedifferenz emittiert. Diese Strahlung zeigt sich als schmale Linien in einem Emissionsspektrum.
Jedes Element hat ein charakteristisches, einzigartiges Emissionsspektrum, das aus einer Reihe von Linien bei bestimmten Wellenlängen besteht. Die Wasserstoffspektralreihe enthält eine Reihe von Spektrallinien, von denen vier im sichtbaren Teil des Spektrums liegen. Eine dieser roten Linien, H-alpha, wird in der Astronomie häufig zum Nachweis von ionisiertem Wasserstoff in Nebeln verwendet. Diese Emissionslinien für Wasserstoff können jeweils als Wasserstofflinie angesehen werden, der Begriff bezieht sich jedoch üblicherweise auf die Funkemission, die von kaltem Wasserstoffgas bei einer Wellenlänge von 21 Zentimetern erzeugt wird. Dies ist auf einen anderen physikalischen Vorgang zurückzuführen. Es gelten jedoch weiterhin die gleichen Regeln bezüglich Energie, Frequenz und Wellenlänge.
Elektronen und Protonen haben eine Quanteneigenschaft, die als "Spin" bekannt ist und zwei mögliche Richtungen haben kann. Da ein Wasserstoffatom aus einem Proton und einem Elektron besteht, kann es die beiden Spins in die gleiche Richtung oder in unterschiedliche Richtungen haben. Im ersteren Fall hat das Atom etwas mehr Energie und wird schließlich durch das Elektron, das seinen Spin umschaltet, in einen niedrigeren Energiezustand fallen. Die zusätzliche Energie wird als elektromagnetische Strahlung abgegeben, und da die Energiedifferenz gering ist, hat die Strahlung eine lange Wellenlänge und eine niedrige Frequenz: 21 Zentimeter bzw. 1420,4 MHz. Die geringe Energiedifferenz bedeutet auch, dass jedes Wasserstoffatom im gleichen Spin-Zustand im Durchschnitt eine sehr lange Zeit benötigt - mehrere Millionen Jahre -, um in einen entgegengesetzten Spin-Zustand zu gelangen. Es gibt jedoch so viel kalten Wasserstoff in einer Galaxie, dass zu jeder Zeit genug Wasserstoffatome 21-Zentimeter-Radiowellen aussenden, damit diese nachweisbar sind.
Die 21-Zentimeter-Linie wurde 1951 von Harold Ewen und Edward Purcell entdeckt. Es hat sich als von entscheidender Bedeutung für die Radioastronomie erwiesen. Ein Großteil unserer Galaxie ist durch große Staubwolken verborgen, die das Licht der Sterne nicht durchdringen lassen. Radiowellen werden jedoch nicht durch Staubwolken behindert, und da es in der Galaxie eine große Menge an kaltem Wasserstoff gibt, ist es möglich, die Galaxie unter Verwendung von Radioemissionen an der Wasserstoffleitung zu beobachten und abzubilden. Die Radioastronomie hat es uns ermöglicht, mithilfe der Wasserstofflinie die Größe, Form und Struktur unserer Galaxie zu bestimmen.
Die Wasserstoffleitung hat auch eine große Bedeutung für die Suche nach extraterrestrischer Intelligenz (SETI). Es ist sehr wahrscheinlich, dass eine technologisch fortgeschrittene Zivilisation diese Frequenz nutzt, um zu versuchen, mit anderen Zivilisationen zu kommunizieren. Die Frequenz wurde verwendet, um eingehende Nachrichten nicht nur abzuhören, sondern auch zu senden. Die Raumfahrzeuge Pioneer 10 und 11, die auf unbestimmte Zeit durch den interstellaren Raum driften sollen, enthalten Plaques, die die Wasserstofflinie, ihre Wellenlänge, ihre Frequenz und die dahinterliegende Physik darstellen. Es handelt sich um eine Maßeinheit, die vermutlich von Außerirdischen verstanden wird.