WikiDer > 21cm Linie
Das 21 cm Linie von Wasserstoff ist a Emissionslinie von denen die Wellenlänge (21.106 114 054 13 cm im Vakuum) liegt im Funkbereich. Die Emissionslinie entsteht, wenn der Spin des Elektron von a Wasserstoffatom kippt spontan um. Bei diesem Vorgang wird eine kleine Menge Energie in Form von freigesetzt Funkstrahlung. Obwohl dieser Übergang streng genommen ist verboten Es besteht eine minimale Chance, dass ein Elektron diesen Übergang tatsächlich macht. Da die Menge an Wasserstoffatomen im interstellares Medium ist so gigantisch, dass die Summe all dieser seltenen Übergänge ein messbares Funksignal ergibt. Durch diesen Übergang wurde zum ersten Mal die spiralförmige Struktur der Milchstraße wurde beobachtet.
Physischer Ursprung
Ein neutrales Wasserstoffatom besteht aus einem als Kern wirkenden Proton und einem Elektron. Beide haben Spinne. Die beiden Teilchen können den gleichen, parallelen Spin oder entgegengesetzten Spin haben. Im ersten Fall hat das Elektron minimal mehr Energie als im zweiten Fall. Dieser kleine Unterschied wird zum Hyperfeinstruktur erwähnt, nicht zu verwechseln mit Feine Struktur. Im konkreten Fall handelt es sich um ein Wasserstoffatom im 1s-Grundzustand. Wenn ein Elektron mit Parallelspin den Spin umdreht, wird eine kleine Menge Energie freigesetzt. Diese kleine Energiemenge wird als Photon emittiert. In diesem Fall ist diese Energie nur eV, was einer Wellenlänge von 21 cm oder einer Frequenz von 1420,4 MHz entspricht, also einer Wellenlänge im Bereich der Funkstrahlung. Der Punkt ist jedoch, dass dieser Übergang vom Parallel- zum Gegenspin nach den Gesetzen der Quantenphysik grundsätzlich nicht erlaubt ist. Die Chance, dass dieser Übergang tatsächlich stattfindet, ist daher außerordentlich gering. Die Spinne umzudrehen hat a halbes Leben in der Größenordnung von 10 Millionen Jahren. In der Praxis wird diese Halbwertszeit jedoch durch Kollisionen von Wasserstoffatomen miteinander oder mit anderen Teilchen oder durch Kollisionen von Wasserstoffatomen erheblich verkürzt kosmische Strahlung. Diese Prozesse bewirken auch den umgekehrten Prozess, bei dem der Übergang vom niedrigeren Energiezustand (Gegenspin) in den höheren (Parallelspin) möglich ist. Andernfalls wäre nach mehreren Millionen Jahren der gesamte Wasserstoff im niederenergetischen Zustand und die 21-cm-Emissionslinie wäre nicht mehr vorhanden. In einer interstellaren Wolke stellt sich nun ein Gleichgewicht zwischen beiden Zuständen ein, wobei sich die Übergänge zwischen Parallelspin und Gegenspin ausgleichen.
Beobachtung der Struktur der Milchstraße
Die Bedeutung der 21-cm-Emissionslinie für die Astronomie wurde erstmals vom niederländischen Astronomen vorgeschlagen Hendrik C. van de Hulst, im Jahr 1944. Die Strahlung wurde erstmals entdeckt von Harold Ewen und Edward Purcell (Lyman-Labor, Harvard Universität) am 25. März 1951.[2] Van de Hulst und Jan Hendrik Oort dann eine analoge Technik verwendet (mit a Würzburger Antenne im Kootwijk[3][4]), um mit der 21-cm-Linie ein Radiobild der Milchstraße zu erstellen und damit erstmals die Spiralstruktur zu demonstrieren.[5] Die Spiralarme enthalten genug neutralen Wasserstoff, um eine beobachtbare Quelle dieser Emission zu sein. Bis zum Absorption von visuelles Licht aus Beobachtungen mit sichtbarem Licht ist es nicht möglich, ein so grobes Bild der Struktur der Milchstraße zu erhalten, aber für die 21-cm-Strahlung ist die Milchstraße viel transparenter.
Die Technik kann auch auf die Struktur anderer angewendet werden Galaxien in diesem Fall können die Radiobeobachtungen bei 21 cm mit Beobachtungen in anderen Wellenlängenbereichen verglichen werden.