21cm線
中性水素原子 (HI、H) は1個の陽子と1個の電子からなる。陽子と電子はともに スピン量子数 1/2 を持つフェルミ粒子であるため、上向きと下向きの2通りのスピン角運動量をとりうる。したがって、水素原子の中での陽子と電子のスピン角運動量ベクトルの向きは平行もしくは反平行の2通りがある。陽子と電子のスピンが平行な水素原子は反平行な水素原子よりもわずかにエネルギーが高い。このため、水素原子の基底状態 (1s) のエネルギー準位はこの差分だけエネルギーの異なる2つの準位(超微細構造)に分裂している。
この2つの準位間の遷移は禁制遷移であり、遷移確率は約 2.9×10 s と非常に小さい。すなわち、1個の中性水素原子がこのような遷移を引き起こす時間尺度は約 10 年 で、地上の実験室でこの遷移を観測する可能性はほとんどない。しかし宇宙空間の星間物質に含まれる中性水素原子の総数は莫大なため、電波望遠鏡を用いるとこの遷移に対応するスペクトルを容易に観測できる。これが21cm線である。
21cm線は寿命が極めて長い(遷移確率が極めて小さい)ため、スペクトル線の自然幅は非常に小さい。よって21cm線に見られる線幅のほとんどは観測者に対する放射源の相対運動によるドップラー効果によるものである。