水素ラインとは

水素ラインは一般に、星間空間での冷たい水素ガスの無線周波数放射を指します。 私たちの銀河や他の銀河の中には、大量の水素が漂っています。 このガスの一部は近くの星によって加熱され、可視スペクトルの電磁放射、つまり光を放出します。 しかし、その多くは熱源からはほど遠いですが、スペクトルの無線部分内で8.3インチ（21.1センチメートル）の波長の電磁放射を放出するため、それでも検出できます。 これは21センチ線、または水素線として知られ、その存在は1944年にオランダの天文学者ヘンドリックヴァンデハルストによって予測されました。

量子理論によれば、原子内の電子は特定の固定エネルギーレベルのみを持つことができ、その間には何もありません。 最も低いエネルギーレベルは「基底状態」として知られています。電子はエネルギーを吸収して、より高いエネルギーレベルに「ジャンプ」しますが、遅かれ早かれ、より低いレベルに戻り、最終的に基底状態に戻ります。 、余分なエネルギーの量に反比例する時間がかかります。 電子がレベルを落とすと、余分なエネルギーは、2つのレベル間のエネルギー差に対応する周波数の電磁放射として放出されます。

電磁放射の周波数は、そのエネルギーに比例します。エネルギーが大きいほど、周波数は高くなります。 この関係は、プランクの方程式で説明されます。E= hf、ここでEはエネルギー、fは周波数、hはプランクの定数で、約6.626 * 10 ^-34ジュール秒の値を持ちます。 波長は、単に光の速度を周波数で割ったものとして計算できます。 したがって、電子がより高いエネルギーレベルからより低いエネルギーレベルに低下すると、エネルギーの差に関連する特定の固定周波数と波長の電磁放射が放出されます。 この放射は、発光スペクトル上で細い線として表示されます。

各要素には、特定の波長の一連の線からなる特徴的でユニークな発光スペクトルがあります。 水素スペクトルシリーズには、多くのスペクトル線が含まれており、そのうち4本はスペクトルの可視部分に含まれています。 これらの1つであるHアルファとして知られる赤い線は、星雲内のイオン化された水素を検出する天文学で多く使用されています。 これらの水素の輝線はそれぞれ水素線と見なすことができますが、この用語は通常、21センチメートルの波長の冷水素ガスによって生成される電波放射を指します。 これは、物理プロセスが異なるためです。 ただし、エネルギー、周波数、および波長に関する同じルールが引き続き適用されます。

電子と陽子には、「スピン」と呼ばれる2つの可能な方向を持つことができる量子特性があります。 水素原子は1つのプロトンと1つの電子で構成されているため、同じ方向または異なる方向に2つのスピンを持つことができます。 前者の場合、原子はわずかに多くのエネルギーを持ち、電子がスピンを切り替えることにより、最終的に低エネルギー状態に落ちます。 余分なエネルギーは電磁放射として放出され、エネルギーの差が小さいため、放射はそれぞれ21センチメートルと1420.4 MHzの長波長と低周波数を持ちます。 エネルギー差が小さいということは、同じスピン状態にある任意の水素原子が、逆スピン状態に落ちるまでに平均して非常に長い時間（数百万年）を要することを意味します。 しかし、銀河には非常に多くの冷たい水素が存在するため、一度に十分な水素原子が21センチメートルの電波を発してこれらを検出することができます。

21センチメートルの線は、1951年にハロルドイーウェンとエドワードパーセルによって検出されました。 電波天文学において非常に重要であることが証明されています。 私たちの銀河の多くは、星からの光が通過できない大規模な塵の雲によって視界から隠されています。 ただし、電波は塵雲によって遮られず、銀河内に大量の冷たい水素があるため、水素ラインでの電波放射を使用して銀河を観察およびマッピングすることができます。 水素ラインを使用した電波天文学により、銀河のサイズ、形状、構造を決定することができました。

水素ラインは、地球外知能の検索（SETI）にとっても重要な意味を持ちます。 技術的に進歩した文明がこの周波数を使用して他の文明と通信しようとする可能性は非常に高いと考えられています。 この周波数は、着信メッセージをリッスンするためだけでなく、送信するためにも使用されています。 Pioneer 10および11宇宙船は、星間空間を無期限にドリフトするように設計されており、水素ライン、その波長、周波数、およびその背後にある物理を表すプラークが含まれています。 これは、エイリアンが理解できると思われる測定単位を表します。