21公分线

21厘米线，又被称为氢线，21厘米辐射（hydrogen line, 21 centimeter line or HI line）是指由中性氢原子因为能阶变化而产生的电磁波谱线。频率是1420.40575177 MHz，相当于在真空中波长 21.10611405413 公分。在电磁波谱上的位置是微波。这个波长的辐射经常在射电天文学上被应用，尤其无线电波可以穿过对可见光是不透明的星际云等巨大星际介质区域。21公分波来自于1s基态氢原子的两个超精细结构之间。两个超精细结构能阶的能量不同，而量子的频率则是由普朗克关系式决定。

## 机制

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天然氢原子由一个质子和一个环绕质子的电子组成。除了轨道运动以外，质子和电子都有自旋。经典的看法将氢原子看作月球绕地球公转，同时月球和地球又分别自转。但在量子力学和粒子物理学中自旋不由自转产生，电子轨道的概念也有很大区别。

电子和质子的自旋可以是任一方向，相当于古典物理中物体绕着给定的自转轴以顺时针或逆时针方向自转。电子和质子的自旋方向也可能会相同或相反。因为磁场和粒子的交互作用，一个由一个质子和一个电子组成的氢原子，在质子和电子自旋相同方向（对称）时的能量比相反方向（反对称）的状况稍高。事实上，自旋相反的氢原子能量更低是量子力学中一个固有的结果。由于质子和电子因为电荷相反，自旋相反将会产生平行的磁矩。古典力学认为这个结构的能量较高，但量子力学的结果与古典力学刚好相反。

当氢原子处在能量最低的能级时，质子的自旋状态从平行变成反平行时会发生超精细分裂。这个跃迁的概率极小（约只有2.9×10−15 s−1），几乎不可能发生，跃迁辐射出的电磁波处于氢原子辐射的禁线。这意味着一个天然氢原子要产生这样的跃迁必须花费约1000万年，因此无法在地球的实验室中进行这样的实验。但在星际介质中的天然氢原子含量相当大，可以被电波望远镜轻易观测到。此外，与其他氢原子的碰撞以及和宇宙微波背景辐射的交互作用也缩短作用时间。

21公分线因为他很长的生命周期，它的原始发射谱线宽度非常窄，所以大多数谱线加宽是因为释放辐射的区域相对观测者而言的多普勒效应造成。

## 发现

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在1930年代，注意到有一个来自地球之外的电波“噪声”，以日为变化周期。最初认为这是来自太阳的无线电波，后来观测到这个电波讯号似乎来自银河系的中心。扬·奥尔特在1940年公布了这个发现，并且知道如果能在频谱的无线电波部分发现一条与之对应的发射谱线，对天文学的进展将有着重大的意义。他将这个讯息转达给亨德里克·范德胡斯特，而他在1944年发现在基态的氢原子有着两个非常靠近的能阶，可以使中性氢能够发射频率为1420.405MHz的辐射。

哈佛大学的哈罗德·艾文（Harold Ewen）和珀塞尔在1951年率先检测出了21公分线，而且在发表之后不仅得到荷兰天文学家C.A.穆勒和扬·奥尔特的证实，并且也得到澳大利亚的克利斯蒂安森和Hindman的证实。1952年后，第一张银河系中性氢的地图被绘制出来，并且首度透露银河螺旋臂的结构。

## 无线电天文学的应用

幸运的是，21公分线位于电磁波谱上的微波。在这个波段的电波可以轻易通过地球的大气层被观测到，且只有少许干涉。

一般假定氢原子是规则分布在整个星系之中，在各个观测方向都可以发现到21公分线；唯一的不同在于每条线的多普勒效应强度。因此科学家可以计算出银河系每个旋臂的相对速度。本银河系的星系旋转曲线也是由观测21公分线得知。可以使用星系旋转曲线图以决定在星系距离中心某特定距离的旋转速度。

氢线的观测也可间接用来测定星系的质量；可以限定不同时期万有引力常数的值和研究单一星系的动力状态。

## 宇宙学的应用

21公分线在大爆炸物理宇宙学中相当重要，因为这个波段是唯一可以研究从复合时期到再电离这段宇宙“黑暗时代”的电磁波。因为红移，在地球上实际观测到的频率介于200MHz到9MHz之间。这可能有两个应用。第一，可以靠绘制21公分波的红移获得复合时期，非常精确的物质功率频谱（Matter power spectrum）图。第二，可以揭露宇宙是如何再电离，当中性氢被来自恒星或类星体的辐射再电离时将在21公分线背景辐射出现“洞”。

然而，21公分线在实务应用是很困难的。地面的观测仪器观测21公分线的讯号相当微弱，且地球上电视讯号和电离层的干扰相当严重，因此科学家必须小心隔离和消除干涉才能成功观测。太空中的观测仪器，甚至要在月球的背面才能避免来自地球的干扰，可以避免这些问题。但银河系内同步辐射和自由态间发射（Free-free emission）等其他种电波可能造成的干扰目前仍一无所知。尽管有这些问题，太空中和重力波观测站一起设置的21公分线观测站是在宇宙微波背景辐射偏极化之后，未来观测宇宙学的重要前景。

2018年2月28日，边缘实验发言人祖德·鲍曼表示，使用位于澳洲穆尔奇森无线电天文台的射线频谱仪探测21公分线红移，首次探测到，约在宇宙大爆炸的1亿8千万年之后，最早形成的星球的发光景象。

## 遥测应用

土壤湿度和海水盐分卫星（Soil Moisture and Ocean Salinity, SMOS）的主要仪器孔径综合微波成像无线电仪（Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis, MIRAS）的工作频率是1400-1427 MHz（包含1420.406 MHz），用以观测海水盐分和土壤湿度。选择21公分线的原因：

- 盐分和水分在微波的发射谱线比更高频的波段更加明显
- 没有人为来源的干扰，因为21公分波段是保留给无线电天文学使用

## 寻找外星生命的可能应用

先锋10号和先锋11号上的先驱者镀金铝板描绘了中性氢原子的超精细跃迁，并使用21公分线的波长作为量度比例尺。例如在铝板上的女人影像被描述为波长的八倍，也就是168公分。类似情况也出现在先锋号镀金铝板与航海家1号、航海家2号的旅行者金唱片上使用氢原子自旋转向（Spin-flip）的频率作为时间的比例尺在铝板的图中表示地球的位置。

在铝板上的图将太阳画在14颗脉冲星之间，而这14颗脉冲星在1977年的自转周期是氢原子自旋转向（Spin-flip）的频率倍数。铝板的制造者推论地球外的高等文明可以使用脉冲星的位置定位出在探测器发射时太阳系的位置。

21公分线在SETI计划中被认为是找寻其他外星高等文明的有力工具。可见朱塞佩·科克尼（Giuseppe Cocconi）和菲利普·莫里森（Philip Morrison）建议的原始文章，“Search for Extra-Terrestrial Intelligence”。

彼得·瓦西里耶维奇·麦可维斯基建议SETI可以使用1420.4 MHzπ倍频率进行搜寻 (1420.40575177 MHz的π倍 = 4.46233627 GHz、1420.40575177 MHz的2π倍 = 8.92467255 GHz)。因为π是超越数，这样的频率在自然中不可能以谐波的形式产生，比较有可能是人为产生。这样的讯号将不会被21公分线自己的讯号或它任何的谐波阻塞。

## 参考资料

### 宇宙学

- P. Madau, A. Meiksin and M. J. Rees, "21-cm Tomography of the Intergalactic Medium at High Redshift", Astrophysical Journal 475, 429 (1997) .
- B. Ciardi, P. Madau, "Probing Beyond the Epoch of Hydrogen Reionization with 21 Centimeter Radiation", Astrophysical Journal 596, 1 (2003) .
- M. Zaldarriaga, S. Furlanetto and L. Hernquist, "21 Centimeter Fluctuations from Cosmic Gas at High Redshifts", Astrophysical Journal 608, (2004) 608 .
- X. Chen and J. Miralda-Escudé, "Observing the Reionization Epoch Through 21 Centimeter Radiation", Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 347, 187 (2004) .
- A. Loeb and M. Zaldarriaga, "Measuring the Small-Scale Power Spectrum of Cosmic Density Fluctuations Through 21 cm Tomography Prior to the Epoch of Structure Formation", Phys. Rev. Lett. 92, 211301 (2004) .
- M. G. Santos, A. Cooray and L. Knox, "Multifrequency analysis of 21 cm fluctuations from the Era of Reionization", Astrophysical Journal 625, 575 (2005) .
- R. Barkana and A. Loeb, "Detecting the Earliest Galaxies Through Two New Sources of 21cm Fluctuations", Astrophysical Journal 626, 1 (2005) .

## 外部链接

- The story of Ewen and Purcell's discovery of the 21 cm line
- Ewen and Purcell's original paper in Nature
- PAST experiment, .
- LOFAR experiment
- Mileura Widefield Array experiment
- Square Kilometer Array experiment