โดยทั่วไปแล้วสายไฮโดรเจนหมายถึงการปล่อยคลื่นความถี่วิทยุของก๊าซไฮโดรเจนเย็นในอวกาศระหว่างดวงดาว มีไฮโดรเจนจำนวนมหาศาลลอยอยู่ในกาแลคซีของเราและในกาแลคซีอื่น ๆ ก๊าซนี้บางส่วนได้รับความร้อนจากดาวฤกษ์ใกล้เคียงทำให้เกิดการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ - อีกนัยหนึ่งคือแสง อย่างไรก็ตามส่วนใหญ่อยู่ไกลจากแหล่งความร้อนใด ๆ แต่ก็สามารถตรวจพบได้เนื่องจากความจริงที่ว่ามันปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่น 8.3 นิ้ว (21.1 เซนติเมตร) ภายในส่วนคลื่นวิทยุ เรื่องนี้เป็นที่รู้จักกันในนามเส้น 21 เซนติเมตรหรือเส้นไฮโดรเจนและการดำรงอยู่ของมันถูกทำนายโดยนักดาราศาสตร์ชาวดัตช์ Hendrik van de Hulst ในปี 1944
ตามทฤษฎีควอนตัมอิเล็กตรอนในอะตอมสามารถมีระดับพลังงานคงที่บางระดับเท่านั้น ระดับพลังงานต่ำสุดเรียกว่า "สถานะพื้น" อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานทำให้ "กระโดด" ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น แต่ไม่ช้าก็เร็วพวกเขาจะถอยกลับไปสู่ระดับล่างและในที่สุดก็ถึงสภาพพื้นดิน โดยใช้เวลาแปรผกผันกับปริมาณพลังงานส่วนเกิน เมื่ออิเล็กตรอนลดลงระดับพลังงานพิเศษจะถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ที่สอดคล้องกับความแตกต่างของพลังงานระหว่างสองระดับ
ความถี่ของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับพลังงานของมัน: ยิ่งพลังงานยิ่งความถี่ยิ่งสูง ความสัมพันธ์นี้อธิบายโดยสมการของพลังค์: E = hf โดยที่ E คือพลังงาน f คือความถี่และ h คือค่าคงที่ของพลังค์ซึ่งมีค่าประมาณ 6.626 * 10 -34 จูล - วินาที ความยาวคลื่นสามารถคำนวณได้เพียงแค่ความเร็วของแสงหารด้วยความถี่ ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนลดลงจากระดับพลังงานที่สูงขึ้นไปถึงระดับต่ำกว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่แน่นอนและความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกับความแตกต่างของพลังงานจะถูกปล่อยออกมา รังสีนี้แสดงให้เห็นว่าเป็นเส้นแคบ ๆ ในสเปกตรัมการปล่อย
แต่ละองค์ประกอบมีสเปกตรัมที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะซึ่งประกอบด้วยชุดของเส้นที่ความยาวคลื่นเฉพาะ ชุดสเปกตรัมไฮโดรเจนประกอบไปด้วยเส้นสเปกตรัมจำนวนสี่เส้นซึ่งอยู่ในส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม หนึ่งในนั้นคือเส้นสีแดงที่รู้จักกันในชื่อว่า H-alpha ถูกใช้ในทางดาราศาสตร์เพื่อตรวจจับไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออนในเนบิวล่า สายการปล่อยก๊าซไฮโดรเจนเหล่านี้แต่ละสายถือได้ว่าเป็นสายไฮโดรเจน แต่คำที่มักหมายถึงการปล่อยคลื่นวิทยุที่ผลิตโดยก๊าซไฮโดรเจนเย็นที่ความยาวคลื่น 21 เซนติเมตร นี่คือสาเหตุที่กระบวนการทางกายภาพที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตามกฎเดียวกันกับพลังงานความถี่และความยาวคลื่นยังคงมีผลอยู่
อิเล็กตรอนและโปรตอนมีคุณสมบัติควอนตัมที่รู้จักกันในชื่อ "สปิน" ซึ่งสามารถมีได้สองทิศทาง เนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัวมันจึงสามารถมีสองหมุนในทิศทางเดียวกันหรือไปในทิศทางที่ต่างกัน ในกรณีก่อนหน้าอะตอมมีพลังงานมากขึ้นเล็กน้อยและในที่สุดจะลดลงสู่สถานะพลังงานที่ลดลงโดยอิเล็กตรอนสลับการหมุนของมัน พลังงานพิเศษถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและเนื่องจากความแตกต่างของพลังงานมีขนาดเล็กรังสีมีความยาวคลื่นยาวและความถี่ต่ำ: 21 เซนติเมตรและ 1420.4 เมกะเฮิรตซ์ตามลำดับ ความแตกต่างของพลังงานขนาดเล็กยังหมายความว่าโดยปกติอะตอมไฮโดรเจนที่ได้รับใด ๆ ที่อยู่ในสถานะสปินเดียวกันนั้นโดยเฉลี่ยจะใช้เวลานานมาก - หลายล้านปี - เพื่อดรอปไปยังสถานะตรงกันข้าม อย่างไรก็ตามมีไฮโดรเจนเย็นมากในกาแลคซีซึ่งในเวลาใดเวลาหนึ่งอะตอมไฮโดรเจนจะปล่อยคลื่นวิทยุ 21 เซนติเมตรเพื่อให้ตรวจจับได้
ตรวจพบเส้น 21 เซนติเมตรในปี 1951 โดย Harold Ewen และ Edward Purcell มันพิสูจน์แล้วว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในดาราศาสตร์วิทยุ กาแลคซีของเราส่วนใหญ่ถูกซ่อนไว้จากการมองเห็นด้วยเมฆฝุ่นขนาดใหญ่ที่ไม่ยอมให้แสงจากดวงดาวผ่านไป อย่างไรก็ตามคลื่นวิทยุนั้นไม่ได้ถูกบดบังด้วยเมฆฝุ่นและเนื่องจากมีไฮโดรเจนเย็นจำนวนมากในกาแลคซีจึงสามารถสังเกตและทำแผนที่กาแลคซีโดยใช้การปล่อยคลื่นวิทยุที่เส้นไฮโดรเจน ดาราศาสตร์วิทยุใช้สายไฮโดรเจนทำให้เราสามารถกำหนดขนาดรูปร่างและโครงสร้างของกาแลคซีของเรา
เส้นไฮโดรเจนนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการค้นหาหน่วยสืบราชการลับภาคพื้นดินพิเศษ (SETI) เป็นไปได้ว่าอารยธรรมที่ก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอาจใช้ความถี่นี้เพื่อพยายามสื่อสารกับอารยธรรมอื่น ๆ ความถี่ที่ใช้ไม่เพียง แต่จะฟังข้อความที่เข้ามา แต่ยังส่งพวกเขา ยานอวกาศไพโอเนียร์ 10 และ 11 ซึ่งถูกกำหนดให้ล่องลอยไปเรื่อย ๆ ผ่านอวกาศระหว่างดวงดาวประกอบด้วยโล่ที่แสดงถึงเส้นไฮโดรเจนความยาวคลื่นความถี่และฟิสิกส์ที่อยู่ด้านหลัง มันหมายถึงหน่วยของการวัดที่เชื่อว่ามนุษย์ต่างดาวอาจเข้าใจ
