In astronomia , l'espressione linea 21 cm designa la riga di emissione spettrale con una lunghezza d'onda pari a 21 cm nel vuoto, e quindi rilevata nel dominio delle onde radio . La radiazione elettromagnetica a questa lunghezza d'onda è prodotta da grandi nuvole di atomo di idrogeno (neutro). Il processo fisico sottostante è la transizione atomica tra i due sottolivelli della struttura iperfine del livello del suolo dell'atomo di idrogeno .
Questa lunghezza d'onda e la frequenza corrispondente sono considerate scientificamente notevoli, e quindi come un punto di Schelling nel contesto dei tentativi di comunicazione con sconosciuti extraterrestri intelligenti ( SETI …).
L'atomo di idrogeno è l'atomo più semplice dell'universo: il suo nucleo è costituito da un unico protone con carica elettrica positiva attorno al quale si muove un singolo elettrone con carica negativa. La meccanica quantistica mostra che ci sono luoghi specifici in cui è possibile trovare questo elettrone attorno al nucleo, chiamati orbitali . Identici per tutti gli atomi di idrogeno, gli orbitali corrispondono ai livelli di energia . Il livello di energia più basso (e quindi il più stabile) corrisponde all'orbitale più vicino al nucleo: è il livello fondamentale. L'elettrone è presente quando nessun agente esterno viene ad eccitarlo.
Oltre a muoversi intorno al nucleo, l'elettrone esegue un altro movimento chiamato " spin " (lo spin è un momento angolare quantistico pulito, senza equivalente classico). Lo spin è una proprietà comune a tutte le particelle che possono avere due valori opposti per l'elettrone. Il protone ha il suo spin e l'elettrone può avere uno spin nella stessa "direzione" di questo o nella direzione opposta. Si scopre che quando l'elettrone e il protone hanno spin paralleli, l'energia dell'elettrone è leggermente superiore rispetto all'altro caso in cui si dice che gli spin siano "antiparalleli". La struttura dei livelli atomici legata ai possibili valori che lo spin può assumere, piuttosto che ai livelli energetici stessi, è chiamata struttura "iperfine".
Quando l'elettrone si sposta dal sottolivello più alto al sottolivello più basso (cioè cambia da uno spin parallelo a uno antiparallelo), restituisce la stessa energia a differenza dei due sottolivelli sotto forma di un'onda elettromagnetica (della stessa natura come luce infrarossa ). Essendo la differenza di energia tra questi due sottolivelli molto debole, dell'ordine di 10 −6 elettronvolt , la radiazione si trova nelle microonde a 21 cm di lunghezza d'onda. Ciò corrisponde a una frequenza di 1420,4 MHz .
Questa transizione atomica tra questi due sottolivelli ha una probabilità molto bassa di verificarsi: un atomo di idrogeno in cui l'elettrone si trova nel livello superiore ha un'emivita (una probabilità di uno su due) di diversi milioni di anni a cui cadere spontaneamente il livello inferiore. Nonostante ciò, il numero di atomi di idrogeno nell'universo, e in particolare nel mezzo interstellare è tale che questa transizione è spesso osservata, e che la linea ha una forte intensità (corrispondente alla somma di tutte le transizioni nel tempo), dove è presente l'idrogeno atomico.
Inoltre, le collisioni tra atomi di idrogeno promuovono questa transizione. Allo stesso modo, la probabilità di collisione è estremamente bassa , ma il numero di atomi presenti nello spazio è abbastanza grande in modo che il numero totale di transizioni non sia trascurabile.
Nel caso in cui l'idrogeno sia nella sua forma molecolare , indicata con H 2 , dove due atomi di idrogeno sono collegati dalle loro nuvole elettroniche (si prestano l'un l'altro il loro elettrone), i due sottolivelli sono permanentemente riempiti. In questo caso, non è possibile alcuna transizione atomica perché il principio di esclusione di Pauli proibisce a due elettroni di trovarsi sullo stesso .
Questo fenomeno fisico viene utilizzato nel campo SETI per definire uno standard di misura, corrispondente alla frequenza o alla lunghezza d' onda dei fotoni emessi durante la transizione di spin dell'elettrone (1420,4 MHz e 21,11 cm ).
La semplicità del fenomeno e degli atomi coinvolti rendono possibile una rappresentazione grafica semplice e simbolica, utilizzata sulle sonde spaziali Voyager e Pioneer . La NASA lo rappresenta sotto forma di una sorta di " manubrio ", ciascuna estremità del quale rappresenta uno stato dell'atomo di idrogeno. Gli spin di protoni ed elettroni sono rappresentati da una sorta di "i" il cui punto rappresenta la direzione dello spin. Un simbolo sotto la linea che collega i due stati rappresenta l'unità di tempo.