เส้นไฮโดรเจนเส้น21 เซนติเมตรหรือเส้น H I ^{[ a ]}เป็นเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสถานะพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนเดี่ยวที่เป็นกลางทางไฟฟ้า เกิดจาก การเปลี่ยน ผ่านแบบสปินพลิกกลับ ซึ่งหมายความว่าทิศทางของสปินของอิเล็กตรอนจะกลับทิศทางเมื่อเทียบกับสปินของโปรตอน นี่คือ การเปลี่ยนแปลง สถานะควอนตัม ระหว่างระดับไฮเปอร์ไฟ น์สองระดับ ของ สถานะพื้นฐาน1s ของไฮโดรเจนรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างเส้นนี้มีความถี่1 420 .405 751 768 (2)  MHz (1.42 GHz) ^{[ 1 ]}ซึ่งเทียบเท่ากับความยาวคลื่นของ21.106 114 054 160 (30) ซม . ในสุญญากาศตามความสัมพันธ์ของพลังค์-ไอน์สไตน์E = hνโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากการเปลี่ยนสถานะนี้มีพลังงานเท่ากับ5.874 326 184 1116 (81) μ eV [9.411 708 152 678 (13) × 10 ⁻²⁵  J ] ค่าคงที่สัดส่วน h เรียกว่าค่าคงที่ของพลังค์

ความถี่ของเส้นสเปกตรัมไฮโดรเจนอยู่ในย่านความถี่ Lซึ่งอยู่ทางตอนล่างของ ย่าน ไมโครเวฟในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้ามักพบเห็นได้ในดาราศาสตร์วิทยุเนื่องจากคลื่นวิทยุ เหล่านี้ สามารถทะลุผ่านกลุ่มเมฆฝุ่นอวกาศ ระหว่างดาวขนาดใหญ่ ที่ทึบแสงต่อแสงที่มองเห็นได้การมีอยู่ของเส้นสเปกตรัมนี้ได้รับการทำนายโดยนักดาราศาสตร์ชาวดัตช์H. van de Hulstในปี 1944 จากนั้นได้รับการสังเกตโดยตรงโดยEM Purcell และ HI Ewenนักศึกษาของเขาในปี 1951 การสังเกตเส้นสเปกตรัมไฮโดรเจนถูกนำมาใช้เพื่อเปิดเผยรูปร่างเกลียวของทางช้างเผือกคำนวณมวลและพลศาสตร์ของกาแล็กซีแต่ละดวง และทดสอบการเปลี่ยนแปลงของค่าคงที่โครงสร้างละเอียดเมื่อเวลาผ่านไป มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อจักรวาลวิทยาเพราะสามารถใช้ศึกษาเอกภพยุคแรกได้ เนื่องจากคุณสมบัติพื้นฐานของมัน เส้นสเปกตรัมนี้จึงเป็นที่น่าสนใจในการค้นหาปัญญาจากนอกโลกเส้นสเปกตรัมนี้เป็นพื้นฐานทางทฤษฎีของไฮโดรเจนมาเซอร์

อะตอมของไฮโดรเจนที่เป็นกลางประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่จับกับโปรตอนสถานะพลังงานต่ำสุดของอิเล็กตรอนที่จับอยู่เรียกว่าสถานะพื้นฐานทั้งอิเล็กตรอนและโปรตอนมีโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็ก ภายใน ที่เกิดจากสปิน ของพวกมัน ปฏิสัมพันธ์ของโมเมนต์เหล่านี้ส่งผลให้พลังงานเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อสปินขนานกัน และลดลงเมื่อสปินตรงข้ามกัน ข้อเท็จจริงที่ว่ามีเพียงสถานะขนานและตรงข้ามกันเท่านั้นที่อนุญาตได้นั้นเป็นผลมาจาก การแบ่งส่วน เชิงควอนตัม ของ โมเมนตัมเชิงมุมรวมของระบบ เมื่อสปินขนานกัน โมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กจะตรงข้ามกัน (เนื่องจากอิเล็กตรอนและโปรตอนมีประจุตรงข้ามกัน) ดังนั้นจึงคาดว่าการจัดเรียงนี้จะมีพลังงานต่ำกว่าเช่นเดียวกับแม่เหล็กสองอันที่จะเรียงตัวกันโดยให้ขั้วเหนือของอันหนึ่งอยู่ใกล้กับขั้วใต้ของอีกอันหนึ่งมากที่สุด ตรรกะนี้ใช้ไม่ได้ในกรณีนี้เพราะฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนและโปรตอนทับซ้อนกัน กล่าวคือ อิเล็กตรอนไม่ได้ถูกเคลื่อนย้ายออกจากโปรตอนในเชิงพื้นที่ แต่โอบล้อมโปรตอนไว้ ดังนั้นโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กจึงควรคิดว่าเป็นวงจรกระแสขนาดเล็ก เนื่องจากกระแสขนานดึงดูดกัน โมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กขนาน (เช่น สปินตรงข้าม) จึงมีพลังงานต่ำกว่า^{[ 2 ]}

ในสถานะพื้นฐานการเปลี่ยนสถานะแบบพลิกกลับของสปินระหว่างสถานะที่เรียงตัวกันเหล่านี้ มีความแตกต่างของพลังงานเท่ากับ5.874 33  μeVเมื่อนำไปใช้กับความสัมพันธ์ของพลังค์จะได้ผลลัพธ์ดังนี้:

${\displaystyle \lambda ={\frac {1}{\nu }}\cdot c={\frac {h}{E}}\cdot c\approx {\frac {\;4.135\,67\cdot 10^{-15}\ \mathrm {eV} \cdot {\text{s}}\;}{5.874\,33\cdot 10^{-6}\ \mathrm {eV} }}\,\cdot \,2.997\,92\cdot 10^{8}\ \mathrm {m} \cdot \mathrm {s} ^{-1}\approx 0.211\,06\ \mathrm {m} =21.106\ \mathrm {cm} \;}$

โดยที่λคือความยาวคลื่นของโฟตอนที่ปล่อยออกมาν คือ ความถี่ของ โฟตอน Eคือพลังงานของโฟตอนhคือค่าคงที่ของพลังค์และcคือความเร็วแสงในสุญญากาศ ในห้องปฏิบัติการ พารามิเตอร์ของเส้นสเปกตรัมไฮโดรเจนได้รับการวัดอย่างแม่นยำยิ่งขึ้นดังนี้:

λ =21.106 114 054 160 (30) ซม.

ν =1 420 405 751 .768(2) เฮิรตซ์

ในสุญญากาศ^{[ 3 ]}

ความยาวคลื่นของเส้นนี้สามารถแสดงได้จากค่าคงที่พื้นฐานโดยใช้สูตร (ในระบบ CGSโดยไม่มีการแก้ไขควอนตัมลำดับที่สองและสูงกว่า):

${\displaystyle \lambda ={\frac {3\pi \hbar ^{5}m_{p}c^{3}}{g_{e}g_{p}m_{e}^{2}e^{8}}},}$

โดยที่— มวลของโปรตอน , ${\displaystyle m_{p}}$

${\displaystyle m_{e}}$— มวลของอิเล็กตรอน

${\displaystyle \hbar }$— ค่าคง ที่ของพลังค์ที่ลดลง

${\displaystyle g_{e}}$— ค่า g-factorของสปินอิเล็กตรอน(≈2.00)

${\displaystyle g_{p}}$— ค่า g-factor ของสปินโปรตอน (≈5.59)

${\displaystyle e}$— ประจุพื้นฐาน

เนื่องจากการสลายตัวเกี่ยวข้องกับการพลิกกลับของสปิน จึงถูกห้ามโดยการเปลี่ยนผ่านแบบไดโพลไฟฟ้าจึงต้องอาศัยการเปลี่ยนผ่านแบบไดโพลแม่เหล็กซึ่งมีอัตราการเปลี่ยนผ่านแบบเกิดขึ้นเองที่ต่ำมาก2.9 × 10 ⁻¹⁵  s ⁻¹ , ^{[ 4 ]}และอายุเฉลี่ยของสถานะกระตุ้นอยู่ที่ประมาณ 11 ล้านปี^{[ 3 ]}การชนกันของอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลางกับอิเล็กตรอนหรืออะตอมอื่นๆ สามารถช่วยส่งเสริมการปล่อยโฟตอน 21 ซม. ^{[ 5 ]}การเกิดการเปลี่ยนสถานะโดยธรรมชาติไม่น่าจะพบเห็นได้ในห้องปฏิบัติการบนโลก แต่สามารถเหนี่ยวนำได้โดยเทียมผ่านการปล่อยแบบกระตุ้นโดยใช้ไฮโดรเจนมาเซอร์ [ ^{6 ] มัก}พบเห็นได้ในสภาพแวดล้อมทางดาราศาสตร์ เช่นเมฆไฮโดรเจนในกาแล็กซีของเราและกาแล็กซีอื่นๆ

เนื่องจากหลักการความไม่แน่นอนอายุการใช้งานที่ยาวนานจึงทำให้มีความไม่แน่นอนด้านพลังงานในระดับประมาณ10 ⁻³⁰  eVเมื่อเปรียบเทียบกับค่าของ5.874 33  μeVทำให้เกิดเส้นสเปกตรัม ที่มี ความกว้างตามธรรมชาติที่เล็กมากอยู่ในระดับประมาณ10 ⁻²⁵ดังนั้นการขยายตัวส่วนใหญ่เกิดจากการเลื่อนดอปเปลอร์ที่เกิดจากการเคลื่อนที่โดยรวมหรืออุณหภูมิที่ไม่เป็นศูนย์ของบริเวณที่ปล่อยรังสี^{[ 7 ]}

ในช่วงทศวรรษ 1930 มีการสังเกตเห็นเสียง "ฟู่" ในคลื่นวิทยุที่เปลี่ยนแปลงไปตามรอบวัน และดูเหมือนจะมีต้นกำเนิดมาจากนอกโลก หลังจากข้อเสนอแนะเบื้องต้นว่าเกิดจากดวงอาทิตย์ ก็มีการสังเกตว่าคลื่นวิทยุดูเหมือนจะแพร่กระจายมาจากใจกลางกาแล็กซีการค้นพบเหล่านี้ได้รับการตีพิมพ์ในปี 1940 และได้รับการกล่าวถึงโดยแยน ออร์ทผู้ซึ่งรู้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านดาราศาสตร์หากมีเส้นการปล่อยรังสีในส่วนของสเปกตรัมคลื่นวิทยุ เขาได้ส่งต่อเรื่องนี้ไปยังเฮนดริก ฟาน เดอ ฮุลสต์ซึ่งในปี 1944 ได้ทำนายว่าไฮโดรเจนที่เป็นกลาง สามารถผลิตรังสีที่ความถี่ได้1 420 .4058 MHzเนื่องมาจากระดับพลังงานสองระดับที่อยู่ใกล้กันใน^{สถานะ}พื้นฐานของอะตอมไฮโดรเจน [ ^{8 ]}

เส้น 21 ซม. (1420.4 MHz) ถูกตรวจพบครั้งแรกในปี พ.ศ. 2494 โดย^{Ewen และ Purcell ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด [} 9 ] และตีพิมพ์หลังจาก^{ข้อมูลของ}พวกเขาได้รับการยืนยันโดยนักดาราศาสตร์ชาวดัตช์Mullerและ Oort ^{[ 10 ]}และโดยChristiansen และ Hindman ในออสเตรเลีย หลังจากปี พ.ศ. 2495 แผนที่แรกของไฮโดรเจนที่เป็นกลางในกาแล็กซีถูกสร้างขึ้น และเปิดเผยโครงสร้างเกลียวของ ทางช้างเผือกเป็นครั้งแรก^{[ 11 ] [ 12 ]}

เส้นสเปกตรัม 21 ซม. ปรากฏอยู่ในสเปกตรัมวิทยุ (ในแถบ Lของแถบ UHFของหน้าต่างไมโครเวฟ ) พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงนี้สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศของโลกได้อย่างง่ายดายและสามารถสังเกตได้จากโลกโดยมีการรบกวนน้อย^{[ 13 ]}เส้นไฮโดรเจนสามารถทะลุผ่านเมฆฝุ่นคอสมิก ในอวกาศระหว่างดาว ซึ่งทึบแสงต่อแสงที่มองเห็นได้^{[ 14 ]}สมมติว่าอะตอมไฮโดรเจนกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งกาแล็กซี แต่ละเส้นสายตาที่มองผ่านกาแล็กซีจะเผยให้เห็นเส้นไฮโดรเจน ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวระหว่างเส้นเหล่านี้คือการเลื่อนดอปเปลอร์ที่แต่ละเส้นมี ดังนั้น โดยการสมมติว่ามีการเคลื่อนที่แบบวงกลมเราสามารถคำนวณความเร็วสัมพัทธ์ของแต่ละแขนของกาแล็กซีของเราได้ เส้น โค้งการหมุนของกาแล็กซีของเราได้รับการคำนวณโดยใช้เส้นไฮโดรเจน 21 ซม.จากนั้นจึงสามารถใช้พล็อตเส้นโค้งการหมุนและความเร็วเพื่อกำหนดระยะทางไปยังจุดใดจุดหนึ่งภายในกาแล็กซีได้ อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของวิธีนี้คือ การเบี่ยงเบนจากการเคลื่อนที่แบบวงกลมจะถูกสังเกตที่มาตราส่วนต่างๆ^{[ 15 ]}

การสังเกตเส้นไฮโดรเจนถูกนำมาใช้ทางอ้อมในการคำนวณมวลของกาแล็กซี^{[ 16 ]}เพื่อกำหนดขีดจำกัดของการเปลี่ยนแปลงค่าคงที่โครงสร้างละเอียด เมื่อเวลาผ่านไป [ ^{17 ]}และเพื่อศึกษาพลวัตของกาแล็กซีแต่ละดวง^ความแรงของสนามแม่เหล็ก ใน อวกาศระหว่างดาวสามารถวัดได้โดยการสังเกตปรากฏการณ์ซีแมนบนเส้น 21 ซม. ซึ่งเป็นงานที่GL Verschuur ทำสำเร็จเป็นครั้งแรก ในปี 1968 ^{[ 18 ]}ในทางทฤษฎี อาจเป็นไปได้ที่จะค้นหา อะตอม แอนติไฮโดรเจนโดยการวัดโพลาไรเซชันของเส้น 21 ซม. ในสนามแม่เหล็กภายนอก^{[ 19 ]}

ดิวเทอเรียมมีเส้นสเปกตรัมไฮเปอร์ไฟน์ที่คล้ายกันที่ 91.6 ซม. (327 MHz) และความแรงสัมพัทธ์ของเส้น 21 ซม. ต่อเส้น 91.6 ซม. สามารถใช้ในการวัดอัตราส่วนดิวเทอเรียมต่อไฮโดรเจน (D/H) ได้ กลุ่มหนึ่งในปี 2007 รายงานอัตราส่วน D/H ในบริเวณตรงข้ามศูนย์กลางกาแล็กซีว่าอยู่ที่ 21 ± 7 ส่วนต่อล้าน^{[ 20 ]}

เส้นนี้มีความน่าสนใจอย่างมากใน จักรวาลวิทยา บิ๊กแบงเนื่องจากเป็นวิธีเดียวที่ทราบในการสำรวจ " ยุคมืด " ของจักรวาลวิทยา ตั้งแต่การรวมตัวใหม่ (เมื่ออะตอมไฮโดรเจนที่เสถียรก่อตัวขึ้นเป็นครั้งแรก) ไปจนถึง ยุค การแตก ตัวเป็นไอออนใหม่ หลังจากรวม ช่วง เรดชิฟต์สำหรับช่วงเวลานี้แล้ว เส้นนี้จะถูกสังเกตที่ความถี่ตั้งแต่ 200 MHz ถึงประมาณ 15 MHz บนโลก^{[ 21 ]}มันอาจมีการใช้งานสองอย่าง ประการแรก โดยการทำแผนที่ความเข้มของรังสี 21 เซนติเมตรที่เรดชิฟต์ ในทางทฤษฎีแล้วสามารถให้ภาพที่แม่นยำมากของสเปกตรัมกำลังของสสารในช่วงเวลาหลังการรวมตัวใหม่^{[ 22 ]}ประการที่สอง มันสามารถให้ภาพว่าจักรวาลแตกตัวเป็นไอออนใหม่ได้อย่างไร^{[ 23 ]}เนื่องจากไฮโดรเจนที่เป็นกลางซึ่งแตกตัวเป็นไอออนโดยรังสีจากดาวฤกษ์หรือควาซาร์จะปรากฏเป็นรูในพื้นหลัง 21 ซม. ^{[ 24 ] [ 7 ]}

อย่างไรก็ตาม การสังเกตการณ์ที่ 21 ซม. นั้นทำได้ยากมาก การทดลองบนพื้นดินเพื่อสังเกตสัญญาณที่อ่อนมากนั้นประสบปัญหาจากการรบกวนจากเครื่องส่งสัญญาณโทรทัศน์และ^ไอโอโนสเฟียร์ [ ^{23 ]}ดังนั้นจึงต้องทำการทดลองจากสถานที่ที่เงียบสงบมากโดยต้องระมัดระวังเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวน การทดลองในอวกาศ รวมถึงบนด้านไกลของดวงจันทร์ (ซึ่งจะได้รับการปกป้องจากสัญญาณวิทยุภาคพื้นดิน) ได้รับการเสนอเพื่อชดเชยสิ่งนี้^{[ 25 ]}ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดเกี่ยวกับผลกระทบจากพื้นหน้าอื่นๆ เช่นการปล่อยซินโครตรอนและการปล่อยฟรี-ฟรีในกาแล็กซี^{[ 26 ]}แม้จะมีปัญหาเหล่านี้ การสังเกตการณ์ที่ 21 ซม. ควบคู่ไปกับการสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศ โดยทั่วไปถือว่าเป็นพรมแดนที่ยิ่งใหญ่ต่อไปในจักรวาลวิทยาเชิงสังเกตการณ์ ต่อจาก โพลาไรเซชันพื้นหลัง ไมโครเวฟของจักรวาล^{[ 27 ]}

แผ่นจารึกไพโอเนียร์ที่ติดอยู่กับ ยานอวกาศ ไพโอเนียร์ 10และไพโอเนียร์ 11แสดงการเปลี่ยนผ่านไฮเปอร์ไฟน์ของไฮโดรเจนที่เป็นกลาง และใช้ความยาวคลื่นเป็นมาตราส่วนมาตรฐานในการวัด ตัวอย่างเช่น ความสูงของผู้หญิงในภาพแสดงเป็น 8 เท่าของ 21 ซม. หรือ 168 ซม. ในทำนองเดียวกัน ความถี่ของการเปลี่ยนผ่านสปินฟลิปของไฮโดรเจนถูกใช้เป็นหน่วยเวลาในแผนที่ไปยังโลกที่รวมอยู่ในแผ่นจารึกไพโอเนียร์และ ยานสำรวจ วอยเอเจอร์ 1และวอยเอเจอร์ 2 ด้วย ในแผนที่นี้ ตำแหน่งของดวงอาทิตย์แสดงโดยสัมพันธ์กับ  พัลซาร์ 14 ดวง ซึ่งมีคาบการหมุนประมาณปี 1977 ที่ระบุเป็นจำนวนเท่าของความถี่ของการเปลี่ยนผ่านสปินฟลิปของไฮโดรเจน ผู้สร้างแผ่นจารึกตั้งทฤษฎีว่าอารยธรรมขั้นสูงจะสามารถใช้ตำแหน่งของพัลซาร์เหล่านี้เพื่อระบุตำแหน่งของระบบสุริยะในขณะที่ยานอวกาศถูกปล่อย^{[ 28 ] [ 29 ]}

เส้นไฮโดรเจน 21 ซม. ถือเป็นความถี่ที่เหมาะสมสำหรับ โครงการ SETIในการค้นหาสัญญาณจากอารยธรรมนอกโลกที่อาจเกิดขึ้น ในปี 1959 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีGiuseppe Cocconiและนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันPhilip Morrisonได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง "การค้นหาการสื่อสารระหว่างดวงดาว" ซึ่งเสนอเส้นไฮโดรเจน 21 ซม. และศักยภาพของคลื่นไมโครเวฟในการค้นหาการสื่อสารระหว่างดวงดาว^{[ 30 ]}ตามที่ George Basalla กล่าว บทความของ Cocconi และ Morrison "ได้ให้พื้นฐานทางทฤษฎีที่สมเหตุสมผล" สำหรับโครงการ SETI ที่เพิ่งเริ่มต้นในขณะนั้น^{[ 31 ]}ในทำนองเดียวกันPyotr Makovetskyเสนอให้ SETI ใช้ความถี่ที่เท่ากับ

0 π ×1 420 .405 751 77  MHz ≈4.462 336 27  GHz

หรือ

2 π ×1 420 .405 751 77  MHz ≈8.924 672 55  GHz

เนื่องจากπเป็นจำนวนอตรรกยะ ความถี่ดังกล่าวจึงไม่สามารถเกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติในฐานะฮาร์มอนิกและจะแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงต้นกำเนิดเทียม สัญญาณดังกล่าวจะไม่ถูกบดบังด้วยเส้น H I เอง หรือฮาร์มอนิกใดๆ ของมัน^{[ 32 ]}

• "เรื่องราวการค้นพบเส้นสเปกตรัม 21 เซนติเมตรของอีเวนและเพอร์เซลล์"หอดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ (NRAO)
• Pen, Ue-Li และคณะ (5 เมษายน 2547). "การพยากรณ์ยุคการแตกตัวเป็นไอออนใหม่ที่มองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์โครงสร้างดั้งเดิม (PAST)". arXiv : astro-ph/0404083 .— คำอธิบายการทดลองในอดีต
• "การทดลอง LOFAR "
• "หอดูดาว SKA "(อาร์เรย์ขนาดตารางกิโลเมตร)