水素線

水素線、21 センチメートル線、またはH  I線^{[ a ]}は、孤立した電気的に中性の水素原子のエネルギー状態の変化によって生成されるスペクトル線です。これはスピン反転遷移によって生成され、これは電子のスピンの方向が陽子のスピンに対して反転することを意味します。これは、水素1s基底状態の2つの超微細準位間の量子状態変化です。この線を生成する電磁放射の周波数は1 420 .405 751 768 (2) MHz  (1.42 GHz  )、^{[ 1 ]}波長に相当します 真空中では21.106 114 054 160 (30) cmである。プランク・アインシュタインの関係式E = hνによれば、この遷移によって放出される光子のエネルギーは5.874 326 184 1116 (81)  μ eV [9.411 708 152 678 (13) × 10 ⁻²⁵  J ]。比例定数hはプランク定数として知られています。

水素線の周波数は、電磁スペクトルのマイクロ波領域の低端に位置するLバンドにあります。この線は、可視光に対して不透明な星間宇宙塵の大きな雲を電波が透過できるため、電波天文学で頻繁に観測されます。この線の存在は、1944年にオランダの天文学者H. van de Hulstによって予測され、その後1951年にEM Purcellとその学生HI Ewenによって直接観測されました。水素線の観測は、天の川の渦巻き形状を明らかにし、個々の銀河の質量と力学を計算し、時間の経過に伴う微細構造定数の変化を検証するために使用されてきました。初期宇宙を研究するために使用できるため、宇宙論にとって特に重要です。その基本的な特性により、この線は地球外生命体の探査において関心を集めています。この線は、水素メーザーの理論的基礎となっています。

中性水素原子は、陽子に束縛された電子から構成されます。束縛された電子の最低定常エネルギー状態は、基底状態と呼ばれます。電子と陽子はどちらも、スピンに起因する固有の磁気双極子モーメントを持ち、その相互作用により、スピンが平行な場合はエネルギーがわずかに増加し、反平行な場合は減少します。平行状態と反平行状態のみが許容されるのは、系の全角運動量の量子力学的離散化の結果です。スピンが平行な場合、磁気双極子モーメントは反平行になります（電子と陽子は反対の電荷を持つため）。したがって、2つの磁石が一方の北極が他方の南極に最も近くなるように整列するように、この配置では実際にエネルギーが低くなると予想されます。しかし、電子と陽子の波動関数が重なり合っているため、この論理はここでは成り立ちません。つまり、電子は陽子から空間的にずれているのではなく、陽子を包み込んでいるのです。したがって、磁気双極子モーメントは、微小な電流ループとして考えるのが最適です。平行な電流は引き合うため、平行な磁気双極子モーメント（つまり反平行スピン）はエネルギーが低くなります。^{[ 2 ]}

基底状態では、これらの整列状態間のスピン反転遷移のエネルギー差は5.874 33  μeV。これをプランクの関係式に適用すると、次のようになります。

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

ここで、λは放出される光子の波長、 νはその周波数、Eは光子のエネルギー、hはプランク定数、cは真空中の光速である。実験室環境では、水素線のパラメータはより正確に次のように測定されている。

λ =21.106 114 054 160 (30)  cm

ν =1 420 405 751 .768(2)  Hz

真空中で。^{[ 3 ]}

この線の波長は、基本定数から次の式で表すことができます（CGS系、2次以上の量子補正なし）。

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

SI単位系では、これは以下に相当する。

${\displaystyle \lambda ={\frac {3\pi \hbar ^{5}m_{p}c^{3}(4\pi \varepsilon _{0})^{4}}{g_{e}g_{p}m_{e}^{2}e^{8}}}\approx 0.2107...m,}$

どこ${\displaystyle m_{p}}$—陽子の質量、

${\displaystyle m_{e}}$—電子の質量、

${\displaystyle \hbar }$—換算プランク定数、

${\displaystyle g_{e}}$— 電子スピンg因子（≈2.00）、

${\displaystyle g_{p}}$—プロトンスピンg因子（≈5.59）、

${\displaystyle e}$—基本的な責務、

${\displaystyle \varepsilon _{0}}$—真空の誘電率。

崩壊にはスピン反転が伴うため、電気双極子遷移では禁制である。磁気双極子遷移が必要であり、その自発遷移率は極めて小さい。2.9 × 10 ⁻¹⁵  s ⁻¹、^{[ 4 ]}励起状態の平均寿命は約 1100 万年です。^{[ 3 ]} 中性水素原子と電子または他の原子との衝突は、21 cm 光子の放出を促進するのに役立ちます。 ^{[ 5 ]}地球上の実験室でこの遷移が自発的に発生することはまずありませんが、水素メーザーを使用した誘導放出によって人工的に誘発することができます。^{[ 6 ]}これは、私たちの銀河や他の銀河の水素雲などの天体環境でよく観測されます。

不確定性原理により、その長い寿命は、オーダーのエネルギー不確定性をもたらす。10 ⁻³⁰  eV。5.874 33  μeVでは、極めて小さな自然幅のスペクトル線が生成されます。10 ⁻²⁵なので、広がりの大部分は、バルク運動または放射領域の非ゼロ温度によって引き起こされるドップラーシフトによるものです。 ^{[ 7 ]}

1930年代、日周期で変動し、地球外起源と思われる電波の「ヒスノイズ」が観測された。当初は太陽が原因と考えられていたが、その後、電波は銀河中心から伝播しているように見えることが分かった。これらの発見は1940年に発表され、ヤン・オールトによって注目された。オールトは、電波スペクトルに輝線があれば天文学に大きな進歩をもたらすことができると知っていた。彼はこのことをヘンドリック・ファン・デ・フルストに伝え、ファン・デ・フルストは1944年に中性水素が1000MHzの周波数で放射線を放出する可能性があると予測した。 水素原子の基底状態における2つの近接したエネルギー準位のため、1 420 .4058 MHzとなる。^{[ 8 ]}

21  cm 線 (1420.4 MHz) は^、 1951 年にハーバード大学のEwenとPurcell によって初めて検出され[ ^{9 ]} 、そのデータはオランダの天文学者Mullerと Oort ^{[ 10 ]} 、オーストラリアのChristiansenと Hindmanによって裏付けられた後に発表されました。1952 年以降、銀河の中性水素の最初のマップが作成され、天の川の渦巻き構造が初めて明らかになりました^{[ 11 ] [ 12 ]}。

• 「ユーエンとパーセルによる21cm線の発見の物語 」。国立電波天文台（NRAO）。
• Pen, Ue-Li; et  al. (2004年4月5日). 「原始構造望遠鏡（PAST）で観測可能な再電離期の予測」. arXiv : astro-ph/0404083 .— 過去の実験の説明
• 「LOFAR実験」
• 「SKA天文台」（平方キロメートルアレイ）