The Hydrogen 21 cm Line
الکترون و پروتون هر دو دارای یک تکانه زاویه‌ای ذاتی هستند که به آنها اسپین می‌گویند. این تکانه زاویه‌ای با تکانه زاویه‌ای معمول که به‌طور روزمره در پدیده‌های مختلف مشاهده می‌شود متفاوت بوده و یک مفهوم کاملاً کوانتومی است. با توجه به اینکه این ذرات باردار هستند تکانه زاویه‌ای ذاتی آنها باعث می‌شود که این ذرات یک میدان دوقطبی مغناطیسی هم داشته باشند (چیزی شبیه به آهن‌رباهای میله‌ای). با در نظر گرفتن برهمکنش بین اسپین الکترون و اسپین هسته در اتم هیدروژن حالت‌های انرژی با اختلاف انرژی بسیار کوچک نسبت به حالت‌های انرژی معمول اتم هیدروژن به وجود می‌آید. زمانی که اسپین الکترون و پروتون در یک‌جهت باشند انرژی‌اتم مقدار بالاتر از حالتی است که اسپین این دو در خلاف جهت همدیگر قرارگرفته باشد. درنتیجه درصورتی‌که اسپین الکترون در اثر چرخش از حالت هم‌جهت با هسته خارج‌شده و خلاف جهت اسپین هسته شود مقدار از انرژی‌اتم از دست می‌رود و یک فوتون تابش می‌شود (فقط این دو حالت وجود دارند و حالت بین این دو وجود ندارد). اختلاف انرژی بین دو حالت متناظر با فوتونی با فرکانس 1420 مگاهرتز و یا طول‌موج 21.049 سانتی‌متر است. در محیط میان ستاره‌ای اتم هیدروژن معمولاً در کمترین حالت انرژی خود قرار دارد اما این اتم می‌تواند در اثر برخورد با اتم‌های دیگر انرژی لازم را به دست آورد و به حالت باانرژی بیشتر یعنی حالت با اسپین‌های موازی الکترون و هسته صعود کند. اتم هیدروژن در این حالت برای مدتی طولانی (حدود 10 میلیون سال) می‌ماند و سپس به حالت با تابش یک فوتون با طول‌موج 21 سانتی‌متر به حالت با حداقل انرژی برمی‌گردد.
ممکن است تصور شود که احتمال مشاهده گازهای سرد بین ستاره‌ای از طریق این تابش بسیار کم است. درواقع با توجه به چگالی بسیار کم محیط‌های بین ستاره‌ای مدت‌زمان زیادی (حدود 400 سال) طول می‌کشد تا یک اتم هیدروژن با یک اتم دیگر برخورد کند و به حالت با انرژی بیشتر یعنی حالت با اسپین‌های موازی دست یابد. پس‌ازآن برای میلیون‌ها سال باید در این حالت مانده تا بتواند به حالت با حداقل انرژی نزول کند. اما در واقعیت با توجه به زیاد بودن اتم‌های هیدروژن این احتمال افزایش می‌یابد و همیشه تعدادی از اتم‌های هیدروژن در حالت برانگیخته هستند که این موضوع شانس مشاهده اتم‌های هیدروژن را از طریق این روش به‌طور قابل قبولی افزایش می‌دهد. این تابش تاکنون اطلاعات بااهمیتی را بهتر از هر روش دیگر از هیدروژن خنثی و به‌صورت کلی محیط میان ستاره‌ای به دست داده است. به‌گونه‌ای گاهی از شاخه‌ای جدا به نام نجوم 21 سانتی‌متری نام برده می‌شود. این تابش همچنین می‌تواند اطلاعات زیادی را از ساختار مارپیچی و چرخش کهکشان راه شیری و دیگر کهکشانی مارپیچی ارائه دهد. درواقع چون این تابش در محدود رادیویی است به‌راحتی می‌تواند از غبار عبور کرده و مثلاً نقشه هیدروژن را در صفحه کهکشان راه شیری که سرشار از غبار است به دست دهد.
تابش 21 سانتی‌متر معمولاً نشری است و به خاطر فراوانی اتم هیدروژن در همه جهت‌ها می‌توان این تابش را رصد کرد. پهن‌شدگی این خطوط نشری می‌توانند اطلاعاتی را از حرکت اتم‌ها در ابر مورد مطالعه و یا خود ابر به عنوان یک کل به دست دهد. همچنین در صورت قرار گرفتن اجسامی مانند اختروش‌ها در پشت ابرهای هیدروژن می‌توان خطوط جذبی 21 سانتی‌متر را هم مشاهده کرد.
گفتنی است که این تابش فقط برای رصد هیدروژن اتمی کاربرد دارد و برای رصد صورت‌های دیگر هیدروژن مثل هیدروژن مولکولی () از ردیاب‌های مثل مولکول کربن مونوکسید استفاده می‌شود. که دارای طول‌موج تابشی کوتاه‌تر (2.6 میلی‌متر) است. همچنین برای رصد هیدروژن یونیزه (HII) از خطوط تابشی ناشی از بازترکیب الکترون و هیدروژن یونیزه (پروتون) استفاده می‌شود.
منبع:
سایت دانشنامه کاسموس (Cosmos Encyclopedia )
کتاب مقدمه ای بر اخترفیزیک جدید (An Introduction to Modern Astrophysics (Bradley Carroll, Dale Ostile))
کتاب مبانی ستاره شناسی (Fundamental Astronomy ( Hannu Karttunen, ..))
