In tähtitiede , ilmaisua 21 cm viiva tarkoittaa spektrin emissioviiva , jonka aallonpituus yhtä kuin 21 cm tyhjiössä, ja näin ollen havaita radioaaltojen verkkotunnuksen . Sähkömagneettista säteilyä tällä aallonpituudella on tuotettu suuri pilvien vety atomi (neutraali). Taustalla oleva fyysinen prosessi on atomissiirtymä vetyatomin maanpinnan hyperhienon rakenteen kahden alatason välillä .
Tätä aallonpituutta ja sitä vastaavaa taajuutta pidetään tieteellisesti merkittävinä ja siksi Schelling-pisteinä tuntemattomien älykkäiden maan ulkopuolisten ( SETI ...) viestintäyritysten yhteydessä .
Vetyatomi on maailmankaikkeuden yksinkertaisin atomi: sen ydin koostuu yhdestä protonista, jolla on positiivinen sähkövaraus, jonka ympäri liikkuu yksi negatiivisen varauksen omaava elektroni . Kvanttimekaniikka osoittaa, että on olemassa tiettyjä paikkoja, joissa voi löytää tämän elektroni tuman ympärillä, kutsutaan orbitaalien . Kaikille vetyatomille identtinen, orbitaalit vastaavat energiatasoja . Alin energiataso (ja siten vakain) vastaa ydintä lähinnä olevaa kiertorataa: se on perustaso. Elektroni on siellä, kun mikään ulkoinen tekijä ei tule herättämään sitä.
Sen lisäksi, että elektroni liikkuu ytimen ympäri, se suorittaa toisen liikkeen, jota kutsutaan " pyörimiseksi " (spin on puhdas, kvanttikulmainen momentti , ilman klassista vastaavaa). Spin on kaikille hiukkasille yhteinen ominaisuus, jolla voi olla kaksi vastakkaista arvoa elektronille. Protonilla on oma spin ja elektronilla voi olla spin samassa "suunnassa" kuin tämä tai vastakkaiseen suuntaan. Osoittautuu, että kun elektronilla ja protonilla on yhdensuuntaiset pyörähdykset, elektronin energia on hyvin vähän korkeampi kuin toisessa tapauksessa, jossa pyörien sanotaan olevan "rinnakkaisia". Atomitasojen rakennetta, joka on linkitetty mahdollisiin arvoihin, jotka spin voi saada, eikä itse energiatasoihin, kutsutaan "hyperhienoksi" rakenteeksi.
Kun elektroni siirtyy korkeimmasta alatasosta alimpaan alatasoon (ts. Se muuttuu yhdensuuntaisesta spinistä rinnakkaisen spiniksi), se palauttaa saman energian, toisin kuin kaksi alatasoa, sähkömagneettisen aallon muodossa (samanlainen kuin infrapuna) valo ). Energiaero näiden kahden alatason välillä on hyvin heikko, suuruusluokaltaan 10-6 elektronivolttia , säteily sijaitsee mikroaalloissa 21 cm : n aallonpituudella. Tämä vastaa taajuutta 1420,4 MHz .
Tällä atomitasolla näiden kahden alatason välillä on hyvin pieni todennäköisyys tapahtua: vetyatomin, jossa elektroni on ylemmällä tasolla, puoliintumisaika (todennäköisyys yksi kahdesta) on useita miljoonia d vuotta, jotta se putoaa spontaanisti alemmalla tasolla. Tästä huolimatta vetyatomien määrä maailmankaikkeudessa ja erityisesti tähtienvälisessä väliaineessa on sellainen, että tätä siirtymää havaitaan usein ja että viivalla on vahva voimakkuus (vastaa kaikkien siirtymien summaa ajassa), missä atomivetyä on läsnä.
Lisäksi vetyatomien törmäykset edistävät tätä siirtymistä. Samoin törmäystodennäköisyys on erittäin pieni , mutta avaruudessa läsnä olevien atomien määrä on riittävän suuri, jotta siirtymien kokonaismäärä ei ole vähäinen.
Siinä tapauksessa, että vety on molekyylimuodossaan , jota merkitään H2: lla , jossa kaksi vetyatomia on kytketty toisiinsa elektronisten pilvien kautta (ne lainavat toisilleen elektroniaan), nämä kaksi alatasoa täyttyvät pysyvästi. Tässä tapauksessa mikään atomissiirtymä ei ole mahdollista, koska Paulin poissulkemisperiaate kieltää kahden elektronin olemisen samalla .
Tämä fysikaalinen ilmiö käytetään SETI alalla määritellä mittaus standardi, joka vastaa taajuus tai aallonpituus on fotonien aikana vapautuvat spin siirtymistä elektronin (1420,4 MHz ja 21,11 cm ).
Ilmiön ja mukana olevien atomien yksinkertaisuus tekevät mahdolliseksi yksinkertaisen ja symbolisen graafisen esityksen, jota käytetään Voyager- ja Pioneer- avaruuskoettimissa . NASA edustaa sitä eräänlaisena " käsipainona ", jonka molemmat päät edustavat vetyatomin tilaa. Protonien ja elektronien pyöriä edustaa eräänlainen "i", jonka piste edustaa pyörimissuuntaa. Symboli kahden tilan yhdistävän viivan alapuolella edustaa aikayksikköä.