水素ライン

水素線、21センチメートル線、またはHI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。これはスピンフリップ遷移によって生成され、電子のスピンの方向が陽子のスピンに対して反転します。これは、水素1s基底状態の2つの超微細レベル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]であり、これは}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下端に位置するL バンドにあります。この電波は、可視光では不透明な星間宇宙塵の大きな雲を透過できるため、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. ファン デ フルストによって予言され、1951 年にEM パーセルと彼の学生HE エウェンによって直接観測されました。水素線の観測は、天の川銀河の渦巻き形状を明らかにしたり、個々の銀河の質量とダイナミクスを計算したり、微細構造定数の時間的変化をテストしたりするために使用されました。水素線は初期宇宙の研究に使用できるため、宇宙論にとって特に重要です。この線は、その基本的な特性により、地球外知的生命体の探索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です。

中性水素原子は、陽子に結合した電子で構成されています。結合した電子の最も低い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、スピンが平行のときにエネルギーがわずかに増加し、反平行のときにエネルギーが減少します。平行状態と反平行状態のみが許可されるという事実は、システムの合計角運動量の量子力学的離散化の結果です。スピンが平行の場合、磁気双極子モーメントは反平行です (電子と陽子の電荷が反対であるため)。したがって、2 つの磁石が一方の N 極がもう一方の S 極に最も近くなるように整列するのと同じように、この構成は実際にはエネルギーが低くなることが予想されます。この論理は、ここでは失敗します。なぜなら、電子と陽子の波動関数が重なり合っているためです。つまり、電子は空間的に陽子からずれているのではなく、陽子を囲んでいるのです。したがって、磁気双極子モーメントは、小さな電流ループとして考えるのが最適です。平行電流が引き合うと、平行磁気双極子モーメント（すなわち反平行スピン）のエネルギーは低くなります。^[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は放出された光子の波長、 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は光速です。実験室環境では、水素線のパラメータは次のようにより正確に測定されています。

λ =21.106 114 054 160 (30) センチメートル

ν =1 420 405 751 .768(2) Hz

真空中^[3]

この遷移は極めて禁制であり、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1100万年である。^[3]中性水素原子と電子または他の原子の衝突は、21 cm光子の放出を促進するのに役立つ可能性がある。^[5]遷移の自発的な発生は地球上の実験室で見られる可能性は低いが、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る。^{[6]これは、銀河系の}水素雲などの天文学的な環境でよく観測される。不確定性原理により、その長い寿命によりスペクトル線の自然幅は極めて小さくなるため、ほとんどの広がりは、放出領域の体積運動または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ある。 ^[7]

1930年代、毎日周期的に変化し、地球外起源と思われる電波の「ヒス」があることがわかった。当初は太陽によるものだと考えられていたが、電波は銀河の中心から伝わっているようだと観測された。これらの発見は1940年に発表され、スペクトルの電波部分に輝線があれば天文学に大きな進歩がもたらされることを知っていたヤン・オールトによって記録された。彼はこれをヘンドリック・ファン・デ・フルストに伝え、1944年にファン・デ・フルストは中性水素が周波数で放射線を発生すると予測した。 1 420 .4058 MHzは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によるものである。^[8]

21cm線（1420.4MHz）は、1951年にハーバード大学のエウェンとパーセルによって初めて検出され、^{[9]オランダの天文学者ミュラーとオールト、 [10]オーストラリアの}クリスチャンセンとハインドマンによってデータが裏付けられた後に発表されました。1952年以降、銀河系内の中性水素の最初の地図が作成され、天の川の渦巻き構造が初めて明らかになりました。^{[11] [12]}

21 cm のスペクトル線は、電波スペクトル(正確にはマイクロ波窓のUHF バンドのL バンド) 内に現れます。この範囲の電磁エネルギーは、地球の大気圏を容易に通過し、地球からほとんど干渉を受けずに観測できます。 ^[13]水素線は、可視光に不透明な星間宇宙塵の雲を容易に貫通できます。^[14]水素原子が銀河全体に均一に分布していると仮定すると、銀河を通過する各視線には水素線が現れるでしょう。これらの各線の唯一の違いは、これらの各線が持つドップラーシフトです。したがって、円運動を仮定することで、銀河の各腕の相対速度を計算できます。銀河の回転曲線は、21cmの水素線。回転曲線と速度のプロットを使用して、銀河内の特定の点までの距離を決定することができます。ただし、この方法の限界は、さまざまなスケールで円運動からの逸脱が観測されることです。^[15]

水素線の観測は、間接的に銀河の質量を計算したり、^[16]微細構造定数の時間的変化に制限を設けたり、^[17]個々の銀河のダイナミクスを研究したりするために使われてきました。星間空間の磁場の強さは、21cm線のゼーマン効果を観測することで測定できます。この作業は、1968年にGL Verschuurによって初めて達成されました。 ^[18]理論的には、外部磁場内で21cm線の偏光を測定することで反水素原子を探すことができる可能性があります。 ^[19]

重水素は91.6 cm（327 MHz）に同様の超微細スペクトル線を持ち、21 cm線と91.6 cm線の相対的な強度は重水素対水素（D/H）比の測定に使用できます。2007年のあるグループは、銀河反中心のD/H比が21 ± 7 ppmであると報告しました。^[20]

この線はビッグバン宇宙論において非常に興味深い。なぜなら、これは宇宙の「暗黒時代」である再結合（安定した水素原子が最初に形成されたとき）から再イオン化までを調べる唯一の既知の方法だからである。赤方偏移を含めると、この線は地球上で200MHzから約15MHzの周波数で観測される。^[21]この線には2つの用途がある可能性がある。第一に、赤方偏移した21センチメートル放射の強度をマッピングすることにより、原理的には再結合後の期間における物質のパワースペクトルの非常に正確な画像を提供できる。 ^[22]第二に、宇宙がどのように再イオン化されたかの画像を提供できる。^[23]恒星やクエーサーからの放射によってイオン化された中性水素は、21センチメートル背景に穴として現れる。^{[24] [7]}

しかし、21 cm の観測は非常に難しい。微弱な信号を観測する地上実験は、テレビ送信機や電離層からの干渉に悩まされるため[ ^23]、干渉を排除するよう注意しながら、非常に隔絶された場所で行わなければならない。これを補うために、月の裏側 (地上の無線信号からの干渉から保護される) での宇宙実験も提案されている^[25] 。銀河でのシンクロトロン放射や自由-自由放射などの他の前景効果についてはほとんどわかっていない^{[26] 。これらの問題にもかかわらず、21 cm の観測は、宇宙からの重力波観測とともに、}宇宙マイクロ波背景放射の偏極に次ぐ観測宇宙論の次の大きなフロンティアと一般に考えられている^[27]。

パイオニア10 号とパイオニア 11 号宇宙船に取り付けられたパイオニア プレートには、中性水素の超微細遷移が描かれており、波長が測定の標準スケールとして使用されています。たとえば、画像内の女性の身長は 21 cm の 8 倍、つまり 168 cm と表示されています。同様に、水素スピンフリップ遷移の周波数は、パイオニア プレートとボイジャー1 号およびボイジャー 2 号探査機に含まれる地球の地図で時間の単位として使用されています。この地図では、太陽の位置が 14 個のパルサーに対して描かれており、  1977 年頃のパルサーの自転周期は、水素スピンフリップ遷移の周波数の倍数として示されています。プレートの作成者は、高度な文明がこれらのパルサーの位置を使用して、宇宙船が打ち上げられた当時の太陽系の位置を特定できると理論づけています。 ^{[28] [29]}

21cmの水素線は、地球外文明からの信号を探すSETIプログラムにとって好ましい周波数と考えられている。1959年、イタリアの物理学者ジュゼッペ・コッコーニとアメリカの物理学者フィリップ・モリソンは「星間通信の探査」という論文を発表し、21cmの水素線と星間通信の探査におけるマイクロ波の可能性を提案した。ジョージ・バサラによると、コッコーニとモリソンの論文は、当時始まったばかりのSETIプログラムに「合理的な理論的基礎を提供した」という。^[30]同様に、ピョートル・マコヴェツキーは、SETIが21cmの水素線と21cmの水素線に等しい周波数を使用することを提案した。

0 π ×1 420 .405 751 77  MHz ≈4.462 336 27  GHz

または

2π ×​1 420 .405 751 77  MHz ≈8.924 672 55  GHz

πは無理数なので、そのような周波数は自然な方法で高調波として生成されることはあり得ず、明らかに人工的な起源を示す。そのような信号は、HIライン自体やその高調波によって圧倒されることはない。^[31]

• 「ユエンとパーセルによる 21 cm 線の発見の物語」。国立電波天文台(NRAO)。
• Pen, Ue-Li; Wu, Xiang-Ping; Peterson, Jeff (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」（メインウェブサイト）。
• 「Mileura ワイドフィールド アレイ実験」(メイン Web サイト)。2005 年 2 月 11 日にオリジナルからアーカイブされました。
• 「平方キロメートルアレイ実験」（メインウェブサイト）。