Jaka jest linia wodoru?

Linia wodoru ogólnie odnosi się do emisji częstotliwości radiowej zimnego wodoru w przestrzeni międzygwiezdnej. W naszej galaktyce i w innych galaktykach pojawiają się ogromne ilości wodoru. Część tego gazu jest ogrzewana przez pobliskie gwiazdy, powodując, że emituje promieniowanie elektromagnetyczne w widmie widzialnym - innymi słowy, światło. Wiele z nich jest jednak dalekie od jakiegokolwiek źródła ciepła, ale jest jednak wykrywalne ze względu na fakt, że emituje promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 8,3 cala (21,1 centymetrów), w części radiowej widma. Jest to znane jako linia 21 centymetrów lub linia wodoru, a jej istnienie było przewidziane przez holenderskiego astronomu Hendrik van de Hulst w 1944 r.

Według teorii kwantowej, elektrony w atomie mogą mieć tylko pewne poziomy energii o stałej energii, bez niczego pomiędzy. Najniższy poziom energii jest znany jako „stan podstawowy”. Elektrony mogą pochłaniać energię, powodując, że „skakują” na wyższy poziom energii, ale wcześniejLub później, wrócą do niższego poziomu, a ostatecznie do stanu podstawowego, a czas trwał odwrotnie proporcjonalny do ilości nadmiaru energii. Gdy elektron spadnie poziom, dodatkowa energia jest uwalniana jako promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości, która odpowiada różnicy energii między dwoma poziomami.

Częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego jest proporcjonalna do jego energii: im większa energia, tym wyższa częstotliwość. Związek ten 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 sekundy joule. Długość fali można obliczyć jako po prostu prędkość światła podzieloną przez częstotliwość. Zatem, gdy elektron spada z wyższego do niższego poziomu energii, promieniowanie elektromagnetyczne o pewnej, stałej częstotliwości i długości fali, powiązanena różnicę energii zostanie emitowany. To promieniowanie pokazuje jako wąskie linie w widmie emisji.

Każdy element ma charakterystyczne, unikalne spektrum emisji składające się z serii linii przy określonych długościach fali. Seria widmowa wodoru zawiera wiele linii widmowych, z których cztery znajdują się w widocznej części widma. Jedna z nich, czerwona linia znana jako H-alfa, jest często stosowana w astronomii do wykrywania jonizowanego wodoru w mgławicy. Te linie emisji dla wodoru można uznać za linię wodoru, ale termin bardziej odnosi się do emisji radiowej wytwarzanej przez zimny wodór przy długości fali 21 centymetrów. Wynika to z innego procesu fizycznego. Jednak te same zasady dotyczące energii, częstotliwości i długości fali nadal obowiązują.

Elektrony i protony mają właściwość kwantową zwaną „spin”, która może mieć dwa możliwe kierunki. Ponieważ atom wodoru składa się z jednego protonu i jednego elektronu, może mieć dwa spiny w SAMe kierunek lub w różnych kierunkach. W pierwszym przypadku atom ma nieco większą energię i ostatecznie spadnie do niższego stanu energii przez elektron zmieniający obrot. 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 tym tym samym stanie zajmie średnio bardzo długo-kilka milionów lat-w celu spadku do stanu przeciwnych; Jednak w galaktyce jest tak dużo zimnego wodoru, że w dowolnym momencie wystarczająco dużo atomów wodoru emitują 21 -centymetrowe fale radiowe, aby były wykrywalne.

Linia 21 centymetra została wykryta w 1951 r. Przez Harolda Ewen i Edwarda Purcell. Okazało się, że ma kluczowe znaczenie w astronomii radiowej. Znaczna część naszej galaktyki jest ukryta z widoku przez duże chmury pyłu, które nie pozwalają na światło z gwiazdprzejść przez nich. Fale radiowe nie są jednak zasłaniane przez chmury pyłu, a ponieważ w galaktyce istnieje duża obfitość zimnego wodoru, można obserwować i mapować galaktykę za pomocą emisji radiowej na linii wodoru. Astronomia radiowa, za pomocą linii wodorowej, umożliwiła nam określenie wielkości, kształtu i struktury naszej galaktyki.

Linia wodoru ma również ogromne znaczenie dla poszukiwania dodatkowej inteligencji lądowej (SETI). Uważa się, że zaawansowana technologicznie cywilizacja może wykorzystać tę częstotliwość, aby próbować komunikować się z innymi cywilizacjami. Częstotliwość była używana nie tylko do słuchania przychodzących wiadomości, ale także do ich wysyłania. Pioneer 10 i 11 statek kosmiczny, który ma dryfować w nieskończoność przez przestrzeń międzygwiezdną, zawierają płytki przedstawiające linię wodoru, długość fali, częstotliwość i fizykę za nią. Reprezentuje jednostkę pomiaru, o której uważa się, że kosmici mogą zrozumieć.