氢线是什么(the Hydrogen Line)？

氢线通常是指星际空间中冷氢气的射频发射。在我们的星系和其他星系中有大量的氢漂浮在周围。其中一些气体被附近的恒星加热，导致它在可见光谱中发射电磁辐射，换句话说，光。然而，它的大部分远离任何热源，但仍然可以探测到，因为它在光谱的无线电部分发射8.3英寸（21.1厘米）的电磁辐射。这被称为21厘米线或氢线，它的存在是由1944年，荷兰天文学家亨德里克·范德赫斯特（Hendrik van de Hulst）在加热冷氢气时，会在可见光谱中发出电磁辐射。根据量子理论，原子中的电子只能有一定的固定能级，在这两者之间什么都没有。最低的能级被称为"基态"。电子可以吸收能量，使它们"跳"到更高的能级，但迟早，它们会回到较低的能级，最终回到基态，时间与过剩能量成反比。当一个电子下降到一个能级时，多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，其频率与两个能级之间的能量差相对应。氢线通常指星际空间中的冷氢气。电磁辐射的频率与其能量成正比：能量越大，频率越高这种关系用普朗克方程描述：E=hf，其中E是能量，f是频率，h是普朗克常数，其值约为6.626*10-34焦耳秒。波长可以简单地计算为光速除以频率。因此，当一个电子从一个高能级下降到一个较低能级时，就会发射出与能量差有关的固定频率和波长的电磁辐射，这种辐射在发射光谱上表现为窄谱线，每个元素都有一个特性，由一系列特定波长的谱线组成的独特发射光谱。氢光谱系列包含许多谱线，其中四条谱线在光谱的可见部分。其中一条红线被称为H-α，在天文学中被广泛用于探测星云中的电离氢。这些发射线用于氢可以被看作是一条氢线，但这个术语通常是指冷氢气在21厘米波长下产生的无线电发射。这是由于不同的物理过程造成的。关于能量、频率和波长的相同规则仍然适用，然而，电子和质子有一种被称为"自旋"的量子性质，它可以有两个可能的方向。由于氢原子由一个质子和一个电子组成，所以它可以有两个相同方向或不同方向的自旋。在前一种情况下，原子的能量稍多，最终会下降到较低的水平电子通过改变其自旋而形成的能量状态。额外的能量以电磁辐射的形式发射，由于能量差很小，辐射的波长较长，频率较低：分别为21厘米和1420.4兆赫这种微小的能量差也意味着，任何一个处于同一自旋状态的氢原子，平均要花很长时间——几百万年——才能下降到相反的自旋态；然而，在一个星系中有如此之多的冷氢，以至于在任何时候都有足够多的氢原子发射出21厘米的无线电波来探测它们。1951年，哈罗德·埃文和爱德华·珀塞尔探测到了这条21厘米长的线。这条线在射电天文学中是至关重要的。我们银河系的大部分区域被不允许来自恒星的光通过的大尘埃云。然而，无线电波不受尘埃云的阻碍，而且由于银河系中有大量的冷氢，因此可以利用氢线的射电发射来观测和绘制星系图。射电天文学利用氢线，使我们能够确定大小，我们银河系的形状和结构。氢线对寻找外星智能（SETI）也有重要意义。人们认为，一个技术先进的文明可能会利用这个频率来尝试与其他文明交流。这个频率不仅用于监听"先锋10号"和"11号"宇宙飞船注定要无限期地在星际空间中漂移，它们包含了描述氢线、氢线波长、频率以及氢线背后的物理现象的石板。它代表着一种据信外星人可能理解的测量单位。