Η γραμμή υδρογόνου αναφέρεται γενικά στις εκπομπές ραδιοσυχνοτήτων ψυχρού αερίου υδρογόνου στον διαστρικό χώρο. Υπάρχουν τεράστιες ποσότητες υδρογόνου που επιπλέουν στον γαλαξία μας και σε άλλους γαλαξίες. Μέρος αυτού του αερίου θερμαίνεται από κοντινά αστέρια, με αποτέλεσμα να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο ορατό φάσμα – με άλλα λόγια, φως. Μεγάλο μέρος του, ωστόσο, απέχει πολύ από οποιαδήποτε πηγή θερμότητας, αλλά είναι εντούτοις ανιχνεύσιμο λόγω του γεγονότος ότι εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε μήκος κύματος 8.3 ιντσών (21.1 εκατοστών), εντός του ραδιομερούς του φάσματος. Αυτό είναι γνωστό ως γραμμή 21 εκατοστών ή γραμμή υδρογόνου και η ύπαρξή του είχε προβλεφθεί από τον Ολλανδό αστρονόμο Hendrik van de Hulst το 1944.
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο μπορούν να έχουν μόνο ορισμένα σταθερά επίπεδα ενέργειας, χωρίς τίποτα ενδιάμεσο. Το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας είναι γνωστό ως «βασική κατάσταση». Τα ηλεκτρόνια μπορούν να απορροφήσουν ενέργεια, αναγκάζοντάς τα να «πηδήσουν» σε ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας, αλλά αργά ή γρήγορα, θα πέσουν πίσω σε ένα χαμηλότερο επίπεδο και τελικά στη βασική κατάσταση, με το χρόνο που απαιτείται αντιστρόφως ανάλογο με την ποσότητα της περίσσειας ενέργειας . Όταν ένα ηλεκτρόνιο πέφτει κάτω από ένα επίπεδο, η επιπλέον ενέργεια απελευθερώνεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με συχνότητα που αντιστοιχεί στη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο επιπέδων.
Η συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι ανάλογη με την ενέργειά της: όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια, τόσο μεγαλύτερη η συχνότητα. Αυτή η σχέση περιγράφεται από την εξίσωση του Planck: E = hf, όπου E είναι η ενέργεια, f είναι η συχνότητα και h η σταθερά του Planck, η οποία έχει τιμή περίπου 6.626 * 10-34 joule-second. Το μήκος κύματος μπορεί να υπολογιστεί απλά ως η ταχύτητα του φωτός διαιρεμένη με τη συχνότητα. Έτσι, όταν ένα ηλεκτρόνιο πέσει από ένα υψηλότερο σε ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο, θα εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μια ορισμένη, σταθερή συχνότητα και μήκος κύματος, που σχετίζονται με τη διαφορά στην ενέργεια. Αυτή η ακτινοβολία εμφανίζεται ως στενές γραμμές σε ένα φάσμα εκπομπής.
Κάθε στοιχείο έχει ένα χαρακτηριστικό, μοναδικό φάσμα εκπομπής που αποτελείται από μια σειρά γραμμών σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Η φασματική σειρά υδρογόνου περιέχει έναν αριθμό φασματικών γραμμών, τέσσερις από τις οποίες βρίσκονται εντός του ορατού τμήματος του φάσματος. Ένα από αυτά, μια κόκκινη γραμμή γνωστή ως H-alpha, χρησιμοποιείται πολύ στην αστρονομία για την ανίχνευση ιονισμένου υδρογόνου στα νεφελώματα. Αυτές οι γραμμές εκπομπής υδρογόνου μπορούν να θεωρηθούν η καθεμία ως γραμμή υδρογόνου, αλλά ο όρος συνήθως αναφέρεται στην εκπομπή ραδιοφώνου που παράγεται από ψυχρό αέριο υδρογόνου σε μήκος κύματος
των 21 εκατοστών. Αυτό οφείλεται σε διαφορετική φυσική διαδικασία. Ωστόσο, εξακολουθούν να ισχύουν οι ίδιοι κανόνες σχετικά με την ενέργεια, τη συχνότητα και το μήκος κύματος.
Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια έχουν μια κβαντική ιδιότητα γνωστή ως «σπιν» που μπορεί να έχει δύο πιθανές κατευθύνσεις. Δεδομένου ότι ένα άτομο υδρογόνου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, μπορεί να έχει δύο σπιν στην ίδια κατεύθυνση ή σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Στην πρώτη περίπτωση, το άτομο έχει ελαφρώς περισσότερη ενέργεια και τελικά θα πέσει σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση όταν το ηλεκτρόνιο αλλάζει το σπιν του. Η επιπλέον ενέργεια εκπέμπεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και δεδομένου ότι η διαφορά ενέργειας είναι μικρή, η ακτινοβολία έχει μεγάλο μήκος κύματος και χαμηλή συχνότητα: 21 εκατοστά και 1420.4 MHz, αντίστοιχα. Η μικρή ενεργειακή διαφορά σημαίνει επίσης ότι κάθε δεδομένο άτομο υδρογόνου στην ίδια κατάσταση περιστροφής θα χρειαστεί, κατά μέσο όρο, πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα – αρκετά εκατομμύρια χρόνια – για να πέσει σε μια κατάσταση αντίθετης περιστροφής. Ωστόσο, υπάρχει τόσο πολύ ψυχρό υδρογόνο σε έναν γαλαξία που ανά πάσα στιγμή αρκετά άτομα υδρογόνου θα εκπέμπουν ραδιοκύματα 21 εκατοστών για να είναι ανιχνεύσιμα.
Η γραμμή των 21 εκατοστών εντοπίστηκε το 1951 από τους Harold Ewen και Edward Purcell. Έχει αποδειχθεί ότι είναι κρίσιμης σημασίας στη ραδιοαστρονομία. Μεγάλο μέρος του γαλαξία μας είναι κρυμμένο από μεγάλα σύννεφα σκόνης που δεν επιτρέπουν στο φως από τα αστέρια να περάσει μέσα από αυτά. Τα ραδιοκύματα, ωστόσο, δεν εμποδίζονται από τα σύννεφα σκόνης και, καθώς υπάρχει μεγάλη αφθονία ψυχρού υδρογόνου στον γαλαξία, είναι δυνατό να παρατηρηθεί και να χαρτογραφηθεί ο γαλαξίας χρησιμοποιώντας ραδιοεκπομπές στη γραμμή υδρογόνου. Η ραδιοαστρονομία, χρησιμοποιώντας τη γραμμή υδρογόνου, μας επέτρεψε να προσδιορίσουμε το μέγεθος, το σχήμα και τη δομή του γαλαξία μας.
Η γραμμή υδρογόνου έχει επίσης μεγάλη σημασία για την Αναζήτηση Εξωγήινης Νοημοσύνης (SETI). Θεωρείται πολύ πιθανό ότι ένας τεχνολογικά προηγμένος πολιτισμός μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτή τη συχνότητα για να προσπαθήσει να επικοινωνήσει με άλλους πολιτισμούς. Η συχνότητα έχει χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για την ακρόαση εισερχόμενων μηνυμάτων, αλλά και για την αποστολή τους. Τα διαστημόπλοια Pioneer 10 και 11, τα οποία προορίζονται να παρασύρονται επ’ αόριστον στο διαστρικό διάστημα, περιέχουν πλάκες που απεικονίζουν τη γραμμή υδρογόνου, το μήκος κύματος, τη συχνότητά της και τη φυσική πίσω από αυτήν. Αντιπροσωπεύει μια μονάδα μέτρησης που πιστεύεται ότι οι εξωγήινοι θα μπορούσαν να κατανοήσουν.