O que é a linha de hidrogênio?
A linha de hidrogênio geralmente se refere às emissões de radiofrequência do gás hidrogênio frio no espaço interestelar. Existem vastas quantidades de hidrogênio flutuando em nossa galáxia e em outras galáxias. Parte desse gás é aquecido por estrelas próximas, causando emissão de radiação eletromagnética no espectro visível - em outras palavras, luz. Grande parte, no entanto, está longe de qualquer fonte de calor, mas é detectável devido ao fato de emitir radiação eletromagnética a um comprimento de onda de 21,1 centímetros (8,3 polegadas), dentro da porção de rádio do espectro. Isso é conhecido como a linha de 21 centímetros, ou a linha de hidrogênio, e sua existência foi prevista pelo astrônomo holandês Hendrik van de Hulst em 1944.
Segundo a teoria quântica, os elétrons em um átomo só podem ter certos níveis fixos de energia, sem nada no meio. O nível mais baixo de energia é conhecido como “estado fundamental”. Os elétrons podem absorver energia, fazendo com que eles “pulem” para um nível mais alto de energia, mas mais cedo ou mais tarde eles voltarão a um nível mais baixo e, eventualmente, ao estado fundamental. , com o tempo gasto inversamente proporcional à quantidade de energia em excesso. Quando um elétron desce um nível, a energia extra é liberada como radiação eletromagnética com uma frequência que corresponde à diferença de energia entre os dois níveis.
A frequência da radiação eletromagnética é proporcional à sua energia: quanto maior a energia, maior a frequência. Essa relação é descrita pela equação de Planck: E = hf, onde E é a energia, f é a frequência e h é a constante de Planck, que possui um valor de aproximadamente 6,626 * 10 -34 joule-segundo. O comprimento de onda pode ser calculado simplesmente como a velocidade da luz dividida pela frequência. Assim, quando um elétron cai de um nível de energia mais alto para um mais baixo, é emitida radiação eletromagnética com uma certa frequência e comprimento de onda fixos, relacionados à diferença de energia. Essa radiação aparece como linhas estreitas em um espectro de emissão.
Cada elemento possui um espectro de emissão característico e único que consiste em uma série de linhas em comprimentos de onda específicos. A série espectral de hidrogênio contém várias linhas espectrais, quatro das quais estão dentro da parte visível do espectro. Uma delas, uma linha vermelha conhecida como H-alfa, é muito usada em astronomia para detectar hidrogênio ionizado em nebulosas. Essas linhas de emissão de hidrogênio podem ser consideradas como uma linha de hidrogênio, mas o termo geralmente se refere à emissão de rádio produzida pelo gás hidrogênio frio a um comprimento de onda de 21 centímetros. Isso ocorre devido a um processo físico diferente. As mesmas regras de energia, frequência e comprimento de onda ainda se aplicam.
Elétrons e prótons têm uma propriedade quântica conhecida como "spin" que pode ter duas direções possíveis. Como um átomo de hidrogênio consiste em um próton e um elétron, ele pode ter os dois spins na mesma direção ou em direções diferentes. No primeiro caso, o átomo tem um pouco mais de energia e, eventualmente, cairá para um estado de energia mais baixo pelo elétron trocando sua rotação. A energia extra é emitida como radiação eletromagnética e, como a diferença de energia é pequena, a radiação tem um comprimento de onda longo e baixa frequência: 21 centímetros e 1420,4 MHz, respectivamente. A pequena diferença de energia também significa que qualquer átomo de hidrogênio no mesmo estado de centrifugação levará, em média, muito tempo - vários milhões de anos - a cair para um estado de rotação oposta; no entanto, há tanto hidrogênio frio em uma galáxia que a qualquer momento átomos de hidrogênio emitem ondas de rádio de 21 centímetros para que sejam detectáveis.
A linha de 21 centímetros foi detectada em 1951 por Harold Ewen e Edward Purcell. Provou ser de importância crucial na radioastronomia. Grande parte da nossa galáxia está escondida da vista por grandes nuvens de poeira que não permitem que a luz das estrelas passe por elas. As ondas de rádio, no entanto, não são obstruídas pelas nuvens de poeira e, como há uma grande abundância de hidrogênio frio na galáxia, é possível observar e mapear a galáxia usando emissões de rádio na linha de hidrogênio. A radioastronomia, usando a linha de hidrogênio, nos permitiu determinar o tamanho, a forma e a estrutura de nossa galáxia.
A linha de hidrogênio também tem grande significado para a Busca de Inteligência Terrestre Extra (SETI). Pensa-se muito possível que uma civilização tecnologicamente avançada possa usar essa frequência para tentar se comunicar com outras civilizações. A frequência foi usada não apenas para ouvir as mensagens recebidas, mas também para enviá-las. As naves Pioneer 10 e 11, que estão destinadas a flutuar indefinidamente pelo espaço interestelar, contêm placas representando a linha de hidrogênio, seu comprimento de onda, sua frequência e a física por trás dela. Representa uma unidade de medida que se acredita que os alienígenas possam entender.