Co to jest linia wodoru?
Linia wodoru ogólnie odnosi się do emisji częstotliwości radiowej zimnego gazu wodorowego w przestrzeni międzygwiezdnej. W naszej galaktyce i innych galaktykach unoszą się ogromne ilości wodoru. Część tego gazu jest podgrzewana przez pobliskie gwiazdy, przez co emituje promieniowanie elektromagnetyczne w widmie widzialnym - innymi słowy światło. Znaczna jego część jest jednak daleka od jakiegokolwiek źródła ciepła, ale mimo to jest wykrywalna ze względu na fakt, że emituje promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 8,3 cala (21,1 centymetra), w części radiowej widma. Nazywa się to linią 21 centymetrów lub linią wodoru, a jej istnienie przewidział holenderski astronom Hendrik van de Hulst w 1944 r.
Zgodnie z teorią kwantową elektrony w atomie mogą mieć tylko określone stałe poziomy energii, bez żadnych pośrednich różnic. Najniższy poziom energii jest znany jako „stan podstawowy”. Elektrony mogą absorbować energię, co powoduje, że „skaczą” do wyższego poziomu energii, ale wcześniej czy później spadną z powrotem na niższy poziom, a ostatecznie do stanu podstawowego , przy czym czas jest odwrotnie proporcjonalny do ilości nadwyżki energii. Kiedy elektron spada na poziom, dodatkowa energia jest uwalniana jako promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości odpowiadającej różnicy energii między dwoma poziomami.
Częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego jest proporcjonalna do jego energii: im większa energia, tym wyższa częstotliwość. Zależność tę opisuje równanie Plancka: E = hf, gdzie E jest energią, f jest częstotliwością, a h jest stałą Plancka, która ma wartość około 6,626 * 10-34 dżuli-sekund. Długość fali można obliczyć jako po prostu prędkość światła podzieloną przez częstotliwość. Zatem, gdy elektron spadnie z wyższego do niższego poziomu energii, emitowane będzie promieniowanie elektromagnetyczne o określonej, stałej częstotliwości i długości fali, związane z różnicą energii. Promieniowanie to pokazuje się jako wąskie linie w spektrum emisji.
Każdy element ma charakterystyczne, unikalne widmo emisyjne składające się z szeregu linii o określonych długościach fal. Szereg widmowy wodoru zawiera szereg linii widmowych, z których cztery znajdują się w widzialnej części widma. Jedna z nich, czerwona linia znana jako H-alfa, jest powszechnie stosowana w astronomii do wykrywania zjonizowanego wodoru w mgławicach. Każda z tych linii emisji wodoru może być uważana za linię wodoru, ale termin ten częściej odnosi się do emisji radiowej wytwarzanej przez zimny gazowy wodór o długości fali 21 centymetrów. Wynika to z innego procesu fizycznego. Jednak nadal obowiązują te same zasady dotyczące energii, częstotliwości i długości fali.
Elektrony i protony mają właściwość kwantową zwaną „spinem”, która może mieć dwa możliwe kierunki. Ponieważ atom wodoru składa się z jednego protonu i jednego elektronu, może mieć dwa spiny w tym samym kierunku lub w różnych kierunkach. W pierwszym przypadku atom ma nieco więcej energii i ostatecznie spadnie do niższego stanu energetycznego przez elektron zmieniający spin. Dodatkowa energia jest emitowana jako promieniowanie elektromagnetyczne, a ponieważ różnica energii jest niewielka, promieniowanie ma długą długość fali i niską częstotliwość: odpowiednio 21 centymetrów i 1420,4 MHz. Mała różnica energii oznacza również, że każdy dany atom wodoru w stanie tego samego spinu zajmie średnio bardzo długo - kilka milionów lat - osiągnięcie stanu przeciwnego do spinu; jednak w galaktyce jest tak dużo zimnego wodoru, że w dowolnym momencie wystarczająca ilość atomów wodoru będzie emitować fale radiowe o długości 21 centymetrów, aby można je było wykryć.
Linia 21 centymetrów została wykryta w 1951 r. Przez Harolda Ewen i Edwarda Purcella. Okazało się, że ma kluczowe znaczenie w radioastronomii. Duża część naszej galaktyki jest ukryta przed dużymi obłokami pyłu, które nie przepuszczają światła gwiazd. Fale radiowe nie są jednak zasłaniane przez chmury pyłu, a ponieważ w galaktyce występuje duża ilość zimnego wodoru, możliwe jest obserwowanie i mapowanie galaktyki za pomocą emisji radiowych na linii wodoru. Radioastronomia, wykorzystująca linię wodorową, pozwoliła nam określić rozmiar, kształt i strukturę naszej galaktyki.
Linia wodorowa ma również duże znaczenie dla Poszukiwania Dodatkowej Inteligencji Ziemskiej (SETI). Uważa się za bardzo możliwe, że zaawansowana technologicznie cywilizacja mogłaby wykorzystać tę częstotliwość do próby komunikacji z innymi cywilizacjami. Częstotliwość została wykorzystana nie tylko do nasłuchiwania wiadomości przychodzących, ale także do ich wysyłania. Statki kosmiczne Pioneer 10 i 11, które mają dryfować w nieskończoność przez przestrzeń międzygwiezdną, zawierają płytki przedstawiające linię wodoru, długość fali, jej częstotliwość i fizykę. Reprezentuje jednostkę miary, którą, jak się uważa, obcy mogą zrozumieć.