Cos'è la linea dell'idrogeno?
La linea dell'idrogeno si riferisce generalmente alle emissioni in radiofrequenza dell'idrogeno gassoso freddo nello spazio interstellare. Ci sono enormi quantità di idrogeno che fluttuano nella nostra galassia e in altre galassie. Parte di questo gas viene riscaldato dalle stelle vicine, provocando l'emissione di radiazioni elettromagnetiche nello spettro visibile - in altre parole, la luce. Gran parte, tuttavia, è lontano da qualsiasi fonte di calore, ma è comunque rilevabile a causa del fatto che emette radiazioni elettromagnetiche a una lunghezza d'onda di 21,3 centimetri (8,3 pollici), all'interno della porzione radio dello spettro. Questa è conosciuta come la linea di 21 centimetri, o la linea dell'idrogeno, e la sua esistenza fu predetta dall'astronomo olandese Hendrik van de Hulst nel 1944.
Secondo la teoria quantistica, gli elettroni in un atomo possono avere solo determinati livelli di energia fissi, senza nulla in mezzo. Il livello di energia più basso è noto come "stato fondamentale". Gli elettroni possono assorbire energia, facendoli "saltare" a un livello di energia più elevato, ma prima o poi ricadranno a un livello inferiore e infine allo stato fondamentale , con il tempo impiegato inversamente proporzionale alla quantità di energia in eccesso. Quando un elettrone scende di un livello, l'energia extra viene rilasciata come radiazione elettromagnetica con una frequenza che corrisponde alla differenza di energia tra i due livelli.
La frequenza della radiazione elettromagnetica è proporzionale alla sua energia: maggiore è l'energia, maggiore è la frequenza. Questa relazione è descritta dall'equazione di Planck: E = hf, dove E è l'energia, f è la frequenza e h è la costante di Planck, che ha un valore di circa 6,626 * 10 -34 joule-secondi. La lunghezza d'onda può essere calcolata semplicemente come la velocità della luce divisa per la frequenza. Pertanto, quando un elettrone scende da un livello di energia superiore a uno inferiore, verranno emesse radiazioni elettromagnetiche con una certa frequenza e lunghezza d'onda fisse, correlate alla differenza di energia. Questa radiazione mostra come linee strette su uno spettro di emissione.
Ogni elemento ha uno spettro di emissione caratteristico e unico costituito da una serie di linee a lunghezze d'onda specifiche. La serie spettrale dell'idrogeno contiene un numero di linee spettrali, quattro delle quali si trovano nella parte visibile dello spettro. Uno di questi, una linea rossa nota come H-alfa, è molto usato in astronomia per rilevare l'idrogeno ionizzato nelle nebulose. Queste linee di emissione dell'idrogeno possono essere considerate ciascuna come una linea dell'idrogeno, ma il termine più comunemente si riferisce all'emissione radio prodotta da idrogeno freddo a una lunghezza d'onda di 21 centimetri. Ciò è dovuto a un diverso processo fisico. Tuttavia, si applicano ancora le stesse regole in materia di energia, frequenza e lunghezza d'onda.
Elettroni e protoni hanno una proprietà quantistica nota come "spin" che può avere due possibili direzioni. Poiché un atomo di idrogeno è costituito da un protone e un elettrone, può avere i due giri nella stessa direzione o in direzioni diverse. Nel primo caso, l'atomo ha un po 'più di energia e alla fine cadrà in uno stato di energia inferiore quando l'elettrone commuta la sua rotazione. L'energia extra viene emessa come radiazione elettromagnetica e poiché la differenza di energia è piccola, la radiazione ha una lunghezza d'onda lunga e una bassa frequenza: rispettivamente 21 centimetri e 1420,4 MHz. La piccola differenza di energia significa anche che qualsiasi dato atomo di idrogeno nello stesso stato di spin avrà, in media, un tempo molto lungo - diversi milioni di anni - per cadere in uno stato di giri opposti; tuttavia, c'è così tanto idrogeno freddo in una galassia che in qualsiasi momento un numero sufficiente di atomi di idrogeno emetterà onde radio di 21 centimetri per renderle rilevabili.
La linea di 21 centimetri fu rilevata nel 1951 da Harold Ewen ed Edward Purcell. Si è rivelato di importanza cruciale nella radioastronomia. Gran parte della nostra galassia è nascosta alla vista da grandi nuvole di polvere che non consentono alla luce delle stelle di attraversarle. Le onde radio, tuttavia, non sono ostruite dalle nuvole di polvere e, poiché esiste una grande abbondanza di idrogeno freddo nella galassia, è possibile osservare e mappare la galassia usando le emissioni radio sulla linea dell'idrogeno. La radioastronomia, usando la linea dell'idrogeno, ci ha permesso di determinare le dimensioni, la forma e la struttura della nostra galassia.
La linea dell'idrogeno ha anche un grande significato per la ricerca di intelligenza extra terrestre (SETI). Si pensa che una civiltà tecnologicamente avanzata possa usare questa frequenza per tentare di comunicare con altre civiltà. La frequenza è stata utilizzata non solo per ascoltare i messaggi in arrivo, ma anche per inviarli. I veicoli spaziali Pioneer 10 e 11, che sono destinati a spostarsi indefinitamente attraverso lo spazio interstellare, contengono placche raffiguranti la linea dell'idrogeno, la sua lunghezza d'onda, la sua frequenza e la fisica dietro di essa. Rappresenta un'unità di misura che si ritiene possa essere compresa dagli alieni.