Vad är vätgaslinjen?
Vätelinjen avser generellt radiofrekvensutsläpp av kall vätgas i det interstellära utrymmet. Det finns enorma mängder väte som flyter runt i vår galax och i andra galaxer. En del av denna gas värms upp av närliggande stjärnor, vilket gör att den avger elektromagnetisk strålning i det synliga spektrumet - med andra ord ljus. Mycket av det är emellertid långt ifrån någon värmekälla, men är ändå upptäckbar på grund av det faktum att den avger elektromagnetisk strålning med en våglängd av 21,3 centimeter (8,3 tum) inom spektrumets radiodel. Detta är känt som 21 centimeter linjen, eller vätelinjen, och dess existens förutsades av den holländska astronomen Hendrik van de Hulst 1944.
Enligt kvantteorin kan elektronerna i en atom bara ha vissa fasta energinivåer, utan ingenting däremellan. Den lägsta energinivån kallas ”marktillståndet.” Elektroner kan absorbera energi, vilket får dem att ”hoppa” till en högre energinivå, men förr eller senare kommer de att falla tillbaka till en lägre nivå och så småningom till marktillståndet , med den tid som tas omvänt proportionell mot mängden överskottsenergi. När en elektron sjunker ner en nivå frigörs den extra energin som elektromagnetisk strålning med en frekvens som motsvarar energidifferensen mellan de två nivåerna.
Frekvensen för elektromagnetisk strålning är proportionell mot dess energi: ju större energi, desto högre frekvens. Detta förhållande beskrivs av Plancks ekvation: E = hf, där E är energin, f är frekvensen och h är Plancks konstant, som har ett värde av cirka 6,626 * 10 -34 joule-sekunder. Våglängden kan beräknas som bara ljusets hastighet dividerad med frekvensen. Således, när en elektron sjunker från en högre till en lägre energinivå, kommer elektromagnetisk strålning med en viss, fast frekvens och våglängd, relaterad till skillnaden i energi, att släppas ut. Denna strålning visar som smala linjer på ett emissionsspektrum.
Varje element har ett karakteristiskt, unikt emissionsspektrum som består av en serie linjer vid specifika våglängder. Vättspektralserien innehåller ett antal spektrallinjer, varav fyra är inom den synliga delen av spektrumet. En av dessa, en röd linje som kallas H-alfa, används mycket i astronomi för att upptäcka joniserat väte i nebulosor. Dessa utsläppslinjer för väte kan var och en betraktas som en vätelinje, men termen avser vanligen radioutsläpp som produceras av kall vätgas med en våglängd av 21 centimeter. Detta beror på en annan fysisk process. Samma regler för energi, frekvens och våglängd gäller dock fortfarande.
Elektroner och protoner har en kvantegenskap som kallas "spin" som kan ha två möjliga riktningar. Eftersom en väteatom består av en proton och en elektron kan den ha de två snurrarna i samma riktning eller i olika riktningar. I det tidigare fallet har atomen lite mer energi och kommer så småningom att sjunka till ett lägre energitillstånd genom att elektronen växlar om dess snurr. Den extra energin avges som elektromagnetisk strålning och eftersom energidifferensen är liten har strålningen en lång våglängd och låg frekvens: 21 centimeter respektive 1420,4 MHz. Den lilla energiförändringen innebär också att varje given väteatom i samma spinnstillstånd i genomsnitt tar mycket lång tid - flera miljoner år - att släppa till ett motsatt spins tillstånd; emellertid finns det så mycket kallt väte i en galax att vid någon tidpunkt kommer tillräckligt med väteatomer att avge 21 centimeter radiovågor för att dessa ska kunna upptäckas.
21 centimeter linjen upptäcktes 1951 av Harold Ewen och Edward Purcell. Det har visat sig vara av avgörande betydelse i radioastronomi. Mycket av vår galax är dold från synen av stora dammmoln som inte tillåter ljus från stjärnor att passera genom dem. Radiovågor hindras emellertid inte av dammmoln och eftersom det finns ett stort överflöd av kallt väte i galaxen är det möjligt att observera och kartlägga galaxen med radioutsläpp vid vätgaslinjen. Radioastronomi med vätgaslinjen har gjort det möjligt för oss att bestämma storleken, formen och strukturen på vår galax.
Vätelinjen har också stor betydelse för Search for Extra Terrestrial Intelligence (SETI). Det tros mycket möjligt att en tekniskt avancerad civilisation kan använda denna frekvens för att försöka kommunicera med andra civilisationer. Frekvensen har använts inte bara för att lyssna på inkommande meddelanden utan också för att skicka dem. Rymdskeppet Pioneer 10 och 11, som är avsett att driva på obestämd tid genom det interstellära rymden, innehåller plack som visar vätelinjen, dess våglängd, dess frekvens och fysiken bakom det. Det representerar en måttenhet som man tror att utlänningar kan förstå.