Wat is de waterstoflijn?

De waterstoflijn verwijst in het algemeen naar de radiofrequentie -emissies van koud waterstofgas in interstellaire ruimte. Er zijn enorme hoeveelheden waterstof die rondzweven in onze melkweg en in andere sterrenstelsels. Een deel van dit gas wordt verwarmd door nabijgelegen sterren, waardoor het elektromagnetische straling in het zichtbare spectrum uitzendt - met andere woorden, licht. Veel ervan is echter verre van elke warmtebron, maar is niettemin detecteerbaar vanwege het feit dat het elektromagnetische straling uitzendt bij een golflengte van 8,3 inch (21,1 centimeter), binnen het radiogedeelte van het spectrum. Dit staat bekend als de lijn van 21 centimeter, of de waterstoflijn, en het bestaan ​​ervan werd voorspeld door de Nederlandse astronoom Hendrik van de Hulst in 1944.

Volgens de kwantumtheorie kunnen de elektronen in een atoom alleen bepaalde vaste energieniveaus hebben, met niets daartussenin. Het laagste energieniveau staat bekend als de 'grondtoestand'. Elektronen kunnen energie absorberen, waardoor ze "springen" naar een hoger energieniveau, maar eerderOf later zullen ze terugvallen naar een lager niveau, en uiteindelijk naar de grondtoestand, met de tijd die omgekeerd evenredig is genomen met de hoeveelheid overtollige energie. Wanneer een elektron een niveau daalt, wordt de extra energie vrijgegeven als elektromagnetische straling met een frequentie die overeenkomt met het energieverschil tussen de twee niveaus.

De frequentie van elektromagnetische straling is evenredig met zijn energie: hoe groter de energie, hoe hoger de frequentie. Deze relatie wordt beschreven door de vergelijking van Planck: E = HF, waarbij E de energie is, F is de frequentie en H is de constante van Planck, die een waarde heeft van ongeveer 6.626 * 10 ^-34 joule-seconden. De golflengte kan worden berekend als eenvoudig de snelheid van het licht gedeeld door de frequentie. Dus wanneer een elektron daalt van een hogere naar een lager energieniveau, wordt elektromagnetische straling met een bepaalde, vaste frequentie en golflengte gerelateerdmet het verschil in energie, zal worden uitgestoten. Deze straling toont als smalle lijnen op een emissiespectrum.

Elk element heeft een karakteristiek, uniek emissiespectrum bestaande uit een reeks lijnen bij specifieke golflengten. De waterstofspectrale serie bevat een aantal spectrale lijnen, waarvan er vier binnen het zichtbare deel van het spectrum vallen. Een daarvan, een rode lijn die bekend staat als H-alpha, wordt veel gebruikt in astronomie voor het detecteren van geïoniseerde waterstof in nevels. Deze emissielijnen voor waterstof kunnen elk worden beschouwd als een waterstoflijn, maar de term verwijst meestal naar de radio -emissie geproduceerd door koud waterstofgas bij een golflengte van 21 centimeter. Dit komt door een ander fysiek proces. Dezelfde regels met betrekking tot energie, frequentie en golflengte zijn echter nog steeds van toepassing.

Elektronen en protonen hebben een kwantumeigenschap die bekend staat als "spin" die twee mogelijke richtingen kan hebben. Omdat een waterstofatoom bestaat uit één proton en één elektron, kan het de twee spins in de SAM hebbene richting of in verschillende richtingen. In het eerste geval heeft het atoom iets meer energie en zal uiteindelijk naar een lagere energietoestand dalen door het elektronen dat zijn spin schakelt. De extra energie wordt uitgestoten als elektromagnetische straling en omdat het energieverschil klein is, heeft de straling een lange golflengte en lage frequentie: respectievelijk 21 centimeter en 1420,4 MHz. Het kleine energieverschil betekent ook dat een gegeven waterstofatoom in dezelfde status van hetzelfde spin gemiddeld een zeer lange tijd-enkele miljoenen jaren-zal duren om naar een toestand van een tegenovergestelde spins te dalen; Er is echter zoveel koude waterstof in een sterrenstelsel dat op elk moment genoeg waterstofatomen 21 centimeter radiogolven uitzenden om deze detecteerbaar te zijn.

De lijn van 21 centimeter werd gedetecteerd in 1951 door Harold Ewen en Edward Purcell. Het is van cruciaal belang gebleken in radio -astronomie. Veel van onze melkweg is verborgen voor uitzicht door grote stofwolken die het licht van sterren niet toestaanom er doorheen te gaan. Radiogolven worden echter niet belemmerd door stofwolken en, omdat er een grote overvloed aan koude waterstof in de melkweg is, is het mogelijk om de melkweg te observeren en in kaart te brengen met behulp van radio -emissies aan de waterstoflijn. Radio -astronomie, met behulp van de waterstoflijn, heeft ons in staat gesteld om de grootte, vorm en structuur van onze melkweg te bepalen.

De waterstoflijn heeft ook een grote betekenis voor het zoeken naar extra terrestrische intelligentie (SETI). Het wordt heel goed mogelijk geacht dat een technologisch geavanceerde beschaving deze frequentie zou kunnen gebruiken om te proberen te communiceren met andere beschavingen. De frequentie is niet alleen gebruikt om te luisteren naar inkomende berichten, maar ook om ze te verzenden. De pionier 10 en 11 ruimtevaartuigen, die bestemd zijn om voor onbepaalde tijd door interstellaire ruimte te drijven, bevatten plaques die de waterstoflijn, zijn golflengte, zijn frequentie en de fysica erachter weergeven. Het vertegenwoordigt een meeteenheid waarvan wordt aangenomen dat het aliens zou kunnen begrijpen.