Wat is de waterstofleiding?
De waterstoflijn verwijst in het algemeen naar de radiofrequentie-emissies van koud waterstofgas in de interstellaire ruimte. Er zijn enorme hoeveelheden waterstof rondzweven in ons sterrenstelsel en in andere sterrenstelsels. Een deel van dit gas wordt verwarmd door nabijgelegen sterren, waardoor het elektromagnetische straling uitzendt in het zichtbare spectrum - met andere woorden, licht. Veel ervan is echter verre van enige warmtebron, maar is desondanks detecteerbaar vanwege het feit dat het elektromagnetische straling uitzendt op een golflengte van 21,1 centimeter (8,3 inch) binnen het radiogedeelte van het spectrum. Dit staat bekend als de 21 centimeter-lijn, of de waterstof-lijn, 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 naar een hoger energieniveau "springen", maar vroeg of laat vallen ze terug naar een lager niveau en uiteindelijk naar de grondtoestand , met de tijd omgekeerd evenredig met de hoeveelheid overtollige energie. Wanneer een elektron een niveau daalt, komt de extra energie vrij 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 de frequentie is en h de constante van Planck is, 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 van een hoger naar een lager energieniveau daalt, zal elektromagnetische straling met een bepaalde, vaste frequentie en golflengte, gerelateerd aan het verschil in energie, worden uitgezonden. Deze straling wordt weergegeven als smalle lijnen op een emissiespectrum.
Elk element heeft een karakteristiek, uniek emissiespectrum dat bestaat uit een reeks lijnen op specifieke golflengten. De waterstofspectrale reeks bevat een aantal spectrale lijnen, waarvan vier binnen het zichtbare deel van het spectrum. Een daarvan, een rode lijn die bekend staat als H-alpha, wordt veel gebruikt in de astronomie voor het detecteren van geïoniseerde waterstof in nevels. Deze emissielijnen voor waterstof kunnen elk als een waterstoflijn worden beschouwd, maar de term verwijst meestal naar de radio-emissie die wordt geproduceerd door koud waterstofgas met 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 'spin' wordt genoemd en die twee mogelijke richtingen kan hebben. Aangezien een waterstofatoom uit één proton en één elektron bestaat, kan het de twee spins in dezelfde richting of in verschillende richtingen hebben. In het eerste geval heeft het atoom iets meer energie en zal het uiteindelijk dalen naar een lagere energietoestand doordat het elektron zijn spin omschakelt. De extra energie wordt uitgezonden als elektromagnetische straling en omdat het energieverschil klein is, heeft de straling een lange golflengte en een lage frequentie: respectievelijk 21 centimeter en 1420,4 MHz. Het kleine energieverschil betekent ook dat elk gegeven waterstofatoom in dezelfde spin-toestand gemiddeld een zeer lange tijd - enkele miljoenen jaren - nodig heeft om naar een tegenovergestelde-spin-toestand te dalen; er is echter zoveel koude waterstof in een sterrenstelsel dat er op elk moment voldoende waterstofatomen 21 centimeter radiogolven uitzenden om deze te detecteren.
De lijn van 21 centimeter werd in 1951 gedetecteerd door Harold Ewen en Edward Purcell. Het is van cruciaal belang gebleken in de radioastronomie. Een groot deel van ons sterrenstelsel is aan het zicht onttrokken door grote stofwolken die het licht van sterren er niet door laten passeren. Radiogolven worden echter niet gehinderd door stofwolken en omdat er een grote hoeveelheid koude waterstof in de melkweg is, is het mogelijk om de melkweg te observeren en in kaart te brengen met behulp van radio-emissies op de waterstoflijn. Radioastronomie, met behulp van de waterstoflijn, heeft ons in staat gesteld de grootte, vorm en structuur van onze melkweg te bepalen.
De waterstoflijn heeft ook een grote betekenis voor de zoektocht naar extra terrestrische intelligentie (SETI). Het wordt heel goed mogelijk geacht dat een technologisch geavanceerde beschaving deze frequentie gebruikt om te proberen met andere beschavingen te communiceren. De frequentie is niet alleen gebruikt om te luisteren naar inkomende berichten, maar ook om ze te verzenden. De Pioneer 10 en 11 ruimtevaartuigen, die bestemd zijn om voor onbepaalde tijd door de interstellaire ruimte te drijven, bevatten platen die de waterstoflijn, de golflengte, de frequentie en de fysica erachter weergeven. Het vertegenwoordigt een meeteenheid waarvan wordt aangenomen dat buitenaardse wezens het zouden begrijpen.