Hva er Hydrogen Line?

Hydrogenlinjen refererer generelt til radiofrekvensutslippene av kald hydrogengass i det interstellare rommet. Det er enorme mengder hydrogen som flyter rundt i galaksen vår og i andre galakser. Noe av denne gassen varmes opp av stjerner i nærheten, og får den til å avgi elektromagnetisk stråling i det synlige spekteret - med andre ord lys. Mye av det er imidlertid langt fra noen varmekilde, men er likevel påviselig på grunn av det faktum at det avgir elektromagnetisk stråling med en bølgelengde på 21,3 centimeter, innenfor radiodelen av spekteret. Dette er kjent som 21 centimeter linjen, eller hydrogenlinjen, og dens eksistens ble spådd av den nederlandske astronomen Hendrik van de Hulst i 1944.

I følge kvanteteori kan elektronene i et atom bare ha visse faste energinivåer, uten noe i mellom. Det laveste energinivået er kjent som "bakken tilstand." Elektroner kan absorbere energi, noe som får dem til å "hoppe" til et høyere energinivå, men før eller senere vil de falle tilbake til et lavere nivå og til slutt til grunnstaten , med tiden tatt omvendt proporsjonal med mengden overflødig energi. Når et elektron synker et nivå, frigjøres den ekstra energien som elektromagnetisk stråling med en frekvens som tilsvarer energiforskjellen mellom de to nivåene.

Frekvensen av elektromagnetisk stråling er proporsjonal med energien: jo større energi, jo høyere frekvens. Dette forholdet er beskrevet av Plancks ligning: E ​​= hf, hvor E er energien, f er frekvensen og h er Plancks konstante, som har en verdi på omtrent 6,626 * 10 ^-34 joule-sekunder. Bølgelengden kan beregnes som bare lysets hastighet delt på frekvensen. Så når et elektron faller fra et høyere til et lavere energinivå, vil det sendes ut elektromagnetisk stråling med en viss, fast frekvens og bølgelengde, relatert til forskjellen i energi. Denne strålingen viser som smale linjer på et utslippspektrum.

Hvert element har et karakteristisk, unikt utslippspektrum som består av en serie linjer med spesifikke bølgelengder. Hydrogenspektralserien inneholder et antall spektrallinjer, hvorav fire er innenfor den synlige delen av spekteret. En av disse, en rød linje kjent som H-alfa, er mye brukt i astronomi for å oppdage ionisert hydrogen i tåker. Disse utslippslinjene for hydrogen kan hver betraktes som en hydrolinje, men betegnelsen refererer mer vanligvis til radioutslipp produsert av kald hydrogengass med en bølgelengde på 21 centimeter. Dette skyldes en annen fysisk prosess. De samme reglene for energi, frekvens og bølgelengde gjelder likevel.

Elektroner og protoner har en kvanteegenskap kjent som “spinn” som kan ha to mulige retninger. Siden et hydrogenatom består av ett proton og ett elektron, kan det ha de to spinnene i samme retning eller i forskjellige retninger. I det tidligere tilfellet har atomet litt mer energi og vil til slutt falle til en lavere energitilstand ved at elektronet bytter spinn. Den ekstra energien sendes ut som elektromagnetisk stråling, og siden energiforskjellen er liten, har strålingen en lang bølgelengde og lav frekvens: henholdsvis 21 centimeter og 1420,4 MHz. Den lille energiforskjellen betyr også at et gitt hydrogenatom i samme spinntilstand i gjennomsnitt vil ta veldig lang tid - flere millioner år - å slippe til en motsatt spinnstilstand; Imidlertid er det så mye kaldt hydrogen i en galakse at til enhver tid vil nok hydrogenatomer avgi 21 centimeter radiobølger til at disse kan oppdages.

21 centimeter-linjen ble oppdaget i 1951 av Harold Ewen og Edward Purcell. Det har vist seg å være av avgjørende betydning i radioastronomi. Mye av galaksen vår er skjult for syn av store støvskyer som ikke tillater lys fra stjerner å passere gjennom dem. Radiobølger er imidlertid ikke hindret av støvskyer, og siden det er en stor overflod av kaldt hydrogen i galaksen, er det mulig å observere og kartlegge galaksen ved hjelp av radioutslipp ved hydrogenlinjen. Radioastronomi, ved bruk av hydrogenlinjen, har gjort det mulig for oss å bestemme størrelsen, formen og strukturen på galaksen vår.

Hydrogenlinjen har også stor betydning for Search for Extra Terrestrial Intelligence (SETI). Det antas veldig mulig at en teknologisk avansert sivilisasjon kan bruke denne frekvensen til å forsøke å kommunisere med andre sivilisasjoner. Frekvensen er ikke bare brukt til å lytte etter innkommende meldinger, men også for å sende dem. Romfartøyet Pioneer 10 og 11, som er bestemt til å drive på ubestemt tid gjennom det interstellare rommet, inneholder plaketter som skildrer hydrogenlinjen, dens bølgelengde, dens frekvens og fysikken bak den. Det representerer en måleenhet som det antas at romvesener kan forstå.