Linia de hidrogen se referă în general la emisiile de frecvență radio de hidrogen gazos rece în spațiul interstelar. Există cantități mari de hidrogen care plutesc în galaxia noastră și în alte galaxii. O parte din acest gaz este încălzit de stelele din apropiere, determinându-l să emită radiații electromagnetice în spectrul vizibil – cu alte cuvinte, lumină. O mare parte din ea, totuși, este departe de orice sursă de căldură, dar este totuși detectabilă datorită faptului că emite radiații electromagnetice la o lungime de undă de 8.3 inchi (21.1 centimetri), în porțiunea radio a spectrului. Aceasta este cunoscută sub numele de linia de 21 de centimetri sau linia hidrogenului, iar existența sa a fost prezisă de astronomul olandez Hendrik van de Hulst în 1944.
Conform teoriei cuantice, electronii dintr-un atom pot avea doar anumite niveluri fixe de energie, fără nimic între ele. Cel mai scăzut nivel de energie este cunoscut sub numele de „starea fundamentală”. Electronii pot absorbi energie, făcându-i să „sare” la un nivel de energie mai înalt, dar mai devreme sau mai târziu, ei vor cădea înapoi la un nivel inferior și, în cele din urmă, la starea fundamentală, timpul necesar fiind invers proporțional cu cantitatea de energie în exces. . Când un electron scade la un nivel, energia suplimentară este eliberată ca radiație electromagnetică cu o frecvență care corespunde diferenței de energie dintre cele două niveluri.
Frecvența radiațiilor electromagnetice este proporțională cu energia acesteia: cu cât energia este mai mare, cu atât frecvența este mai mare. Această relație este descrisă de ecuația lui Planck: E = hf, unde E este energia, f este frecvența și h este constanta lui Planck, care are o valoare de aproximativ 6.626 * 10-34 joule-secunde. Lungimea de undă poate fi calculată ca pur și simplu viteza luminii împărțită la frecvență. Astfel, atunci când un electron scade de la un nivel de energie mai mare la unul inferior, vor fi emise radiații electromagnetice cu o anumită frecvență și lungime de undă, fixă, raportată la diferența de energie. Această radiație arată ca linii înguste pe un spectru de emisie.
Fiecare element are un spectru de emisie caracteristic, unic, constând dintr-o serie de linii la lungimi de undă specifice. Seria spectrală a hidrogenului conține un număr de linii spectrale, dintre care patru se află în partea vizibilă a spectrului. Una dintre acestea, o linie roșie cunoscută sub numele de H-alfa, este foarte folosită în astronomie pentru detectarea hidrogenului ionizat în nebuloase. Aceste linii de emisie pentru hidrogen pot fi considerate fiecare ca o linie de hidrogen, dar termenul se referă mai de obicei la emisia radio produsă de hidrogenul rece la o lungime de undă.
de 21 de centimetri. Acest lucru se datorează unui proces fizic diferit. Totuși, se aplică aceleași reguli privind energie, frecvență și lungime de undă.
Electronii și protonii au o proprietate cuantică cunoscută sub numele de „spin” care poate avea două direcții posibile. Deoarece un atom de hidrogen este format dintr-un proton și un electron, acesta poate avea cei doi spini în aceeași direcție sau în direcții diferite. În primul caz, atomul are ceva mai multă energie și, în cele din urmă, va scădea la o stare de energie mai scăzută prin comutarea de spin a electronului. Energia suplimentară este emisă ca radiație electromagnetică și, deoarece diferența de energie este mică, radiația are o lungime de undă lungă și o frecvență joasă: 21 de centimetri, respectiv 1420.4 MHz. Diferența mică de energie înseamnă, de asemenea, că orice atom de hidrogen dat în aceeași stare de rotație va dura, în medie, un timp foarte lung – câteva milioane de ani – pentru a scădea într-o stare de rotație opusă; cu toate acestea, există atât de mult hidrogen rece într-o galaxie încât la un moment dat destui atomi de hidrogen vor emite unde radio de 21 de centimetri pentru ca acestea să fie detectabile.
Linia de 21 de centimetri a fost detectată în 1951 de Harold Ewen și Edward Purcell. S-a dovedit a fi de o importanță crucială în radioastronomie. O mare parte din galaxia noastră este ascunsă vederii de nori mari de praf care nu permit luminii stelelor să treacă prin ei. Undele radio, totuși, nu sunt obstrucționate de norii de praf și, deoarece există o mare abundență de hidrogen rece în galaxie, este posibil să se observe și să cartografieze galaxia folosind emisiile radio la linia de hidrogen. Radioastronomia, folosind linia hidrogenului, ne-a permis să determinăm dimensiunea, forma și structura galaxiei noastre.
Linia de hidrogen are, de asemenea, o mare importanță pentru Căutarea Inteligenței Extraterestre (SETI). Se crede foarte posibil ca o civilizație avansată din punct de vedere tehnologic să folosească această frecvență pentru a încerca să comunice cu alte civilizații. Frecvența a fost folosită nu numai pentru a asculta mesajele primite, ci și pentru a le trimite. Navele spațiale Pioneer 10 și 11, care sunt destinate să plutească la infinit prin spațiul interstelar, conțin plăci care ilustrează linia de hidrogen, lungimea de undă, frecvența și fizica din spatele acesteia. Reprezintă o unitate de măsură pe care se crede că extratereștrii o pot înțelege.