สายไฮโดรเจนคืออะไร?

สายไฮโดรเจนโดยทั่วไปหมายถึงการปล่อยคลื่นความถี่วิทยุของก๊าซไฮโดรเจนเย็นในพื้นที่ระหว่างดวงดาวมีไฮโดรเจนจำนวนมากลอยอยู่รอบ ๆ กาแลคซีของเราและในกาแลคซีอื่น ๆก๊าซนี้บางส่วนถูกทำให้ร้อนโดยดาวฤกษ์ใกล้เคียงทำให้เกิดการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ mdash;กล่าวอีกนัยหนึ่งคือแสงอย่างไรก็ตามส่วนใหญ่อยู่ไกลจากแหล่งความร้อนใด ๆ แต่ก็ตรวจพบได้เนื่องจากความจริงที่ว่ามันปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่น 8.3 นิ้ว (21.1 เซนติเมตร) ภายในส่วนวิทยุของสเปกตรัมสิ่งนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อสาย 21 เซนติเมตรหรือสายไฮโดรเจนและการดำรงอยู่ของมันถูกทำนายโดยนักดาราศาสตร์ชาวดัตช์เฮ็นดริคแวนเดอฮัลส์ในปี 2487

ตามทฤษฎีควอนตัมอิเล็กตรอนในอะตอมสามารถมีระดับพลังงานคงที่บางอย่างเท่านั้นไม่มีอะไรในระหว่างระดับพลังงานต่ำสุดเรียกว่า "สถานะพื้นดิน"อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานทำให้พวกเขา“ กระโดด” ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น แต่ไม่ช้าก็เร็วพวกเขาจะกลับไปสู่ระดับที่ต่ำกว่าและในที่สุดก็สู่สถานะพื้น.เมื่ออิเล็กตรอนลดลงระดับพลังงานพิเศษจะถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ที่สอดคล้องกับความแตกต่างของพลังงานระหว่างสองระดับ

ความถี่ของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับพลังงานของมันความถี่ความสัมพันธ์นี้อธิบายโดยสมการของ Planck: E ' HF โดยที่ E คือพลังงาน F คือความถี่และ H เป็นค่าคงที่ของ Planck ซึ่งมีค่าประมาณ 6.626 * 10

-34 ^{Joule-Secondsความยาวคลื่นสามารถคำนวณได้เพียงแค่ความเร็วของแสงหารด้วยความถี่ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนลดลงจากระดับสูงถึงระดับพลังงานที่ต่ำกว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่คงที่และความยาวคลื่นที่แน่นอนซึ่งเกี่ยวข้องกับความแตกต่างของพลังงานจะถูกปล่อยออกมาการแผ่รังสีนี้แสดงให้เห็นว่าเป็นเส้นแคบ ๆ บนสเปกตรัมการปล่อยก๊าซ}

แต่ละองค์ประกอบมีลักษณะสเปกตรัมการปล่อยก๊าซที่ไม่ซ้ำกันซึ่งประกอบด้วยชุดของเส้นที่ความยาวคลื่นเฉพาะชุดสเปกตรัมไฮโดรเจนมีจำนวนเส้นสเปกตรัมซึ่งสี่ตัวอยู่ในส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมหนึ่งในนั้นคือเส้นสีแดงที่รู้จักกันในชื่อ H-alpha นั้นใช้ในดาราศาสตร์มากในการตรวจจับไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออนในเนบิวลาสายการปล่อยก๊าซเหล่านี้สำหรับไฮโดรเจนแต่ละอันสามารถถือได้ว่าเป็นสายไฮโดรเจน แต่คำที่มักจะหมายถึงการปล่อยคลื่นวิทยุที่เกิดจากก๊าซไฮโดรเจนเย็นที่ความยาวคลื่นของ 21 เซนติเมตรนี่เป็นเพราะกระบวนการทางกายภาพที่แตกต่างกันอย่างไรก็ตามกฎเดียวกันเกี่ยวกับพลังงานความถี่และความยาวคลื่นยังคงใช้อยู่

อิเล็กตรอนและโปรตอนมีคุณสมบัติควอนตัมที่เรียกว่า "สปิน" ที่สามารถมีสองทิศทางที่เป็นไปได้เนื่องจากอะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัวจึงสามารถมีสปินทั้งสองในทิศทางเดียวกันหรือในทิศทางที่แตกต่างกันในกรณีก่อนหน้านี้อะตอมมีพลังงานมากขึ้นเล็กน้อยและในที่สุดก็จะลดลงสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าโดยอิเล็กตรอนสลับการหมุนพลังงานพิเศษถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและเนื่องจากความแตกต่างของพลังงานมีขนาดเล็กรังสีมีความยาวคลื่นยาวและความถี่ต่ำ: 21 เซนติเมตรและ 1420.4 MHz ตามลำดับความแตกต่างของพลังงานขนาดเล็กยังหมายความว่าอะตอมไฮโดรเจนใด ๆ ที่ได้รับในสถานะสปินเดียวกันโดยเฉลี่ยจะใช้เวลานานมาก mdash;หลายล้านปี mdash;เพื่อลดลงสู่สถานะสปินตรงข้ามอย่างไรก็ตามมีไฮโดรเจนเย็นมากในกาแลคซีซึ่งในครั้งเดียวอะตอมไฮโดรเจนพอจะเปล่งคลื่นวิทยุ 21 เซนติเมตรเพื่อให้สามารถตรวจพบได้

ตรวจพบสาย 21 เซนติเมตรในปี 2494 โดย Harold Ewen และ Edward Purcellมันได้พิสูจน์แล้วว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในดาราศาสตร์วิทยุกาแล็กซี่ของเราส่วนใหญ่ถูกซ่อนไว้จากมุมมองด้วยเมฆฝุ่นขนาดใหญ่ที่ไม่อนุญาตให้แสงจากดวงดาวผ่าน Throฮึพวกเขาอย่างไรก็ตามคลื่นวิทยุไม่ได้ถูกขัดขวางโดยเมฆฝุ่นและเนื่องจากมีไฮโดรเจนเย็นมากมายในกาแลคซีจึงเป็นไปได้ที่จะสังเกตและแมปกาแลคซีโดยใช้การปล่อยวิทยุที่สายไฮโดรเจนดาราศาสตร์วิทยุที่ใช้สายไฮโดรเจนทำให้เราสามารถกำหนดขนาดรูปร่างและโครงสร้างของกาแลคซีของเรา

สายไฮโดรเจนยังมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการค้นหาความฉลาดทางบกพิเศษ (SETI)เป็นที่คิดว่าเป็นไปได้ว่าอารยธรรมขั้นสูงทางเทคโนโลยีอาจใช้ความถี่นี้เพื่อพยายามสื่อสารกับอารยธรรมอื่น ๆความถี่ถูกนำมาใช้ไม่เพียง แต่ฟังข้อความที่เข้ามา แต่ยังส่งพวกเขาด้วยยานอวกาศ Pioneer 10 และ 11 ซึ่งถูกกำหนดให้ลอยไปอย่างไม่มีกำหนดผ่านพื้นที่ระหว่างดวงดาวมีโล่ที่แสดงถึงสายไฮโดรเจนความยาวคลื่นความถี่และฟิสิกส์ที่อยู่ด้านหลังมันหมายถึงหน่วยของการวัดที่เชื่อว่ามนุษย์ต่างดาวอาจเข้าใจ