簡介
通過射電望遠鏡對21厘米氫譜線輻射的探測可揭開早期宇宙恆星的奧秘21厘米輻射（hydrogenline,21centimeterlineorHIline），又稱為21厘米線、氫線，是指由中性氫原子因為能階變化而產生的電磁波譜線。頻率是1420.40575177MHz，相當於在太空中波長21.10611405413厘米。在電磁波譜上的位置是微波。這個波長的輻射經常在無線電天文學上被套用，尤其無線電波可以穿過對可見光是不透明的星際雲等巨大星際介質區域。
這個波長與頻率的關係是來自於簡單的算式，光速（以c代表）除以頻率（單位赫茲）。
21厘米波來自於1s基態氫原子的兩個超精細結構之間。兩個超精細結構能階的能量不同，而量子的頻率則是由普朗克關係式決定。
發現
在1930年代，注意到有一個來自地球之外的電波“噪聲”，以日為變化周期。最初認為這是來自太陽的無線電波，後來觀測到這個電波訊號似乎來自銀河系的中心。歐特在1940年公布了這個發現，並且知道如果能在頻譜的無線電波部分發現一條與之對應的發射譜線，對天文學的進展將有著重大的意義。他將這個訊息轉達給亨德里克·范德胡斯特，而他在1944年發現在基態的氫原子有著兩個非常靠近的能階，可以使中性氫能夠發射頻率為1420.405MHz的輻射。
哈佛大學的哈羅德·艾文（HaroldEwen）和珀塞爾在1951年率先檢測出了21厘米線，而且在發表之後不僅得到荷蘭天文學家C.A.穆勒和歐特的證實，並且也得到澳大利亞的克利斯蒂安森和Hindman的證實。1952年後，第一張銀河系中性氫的地圖被繪製出來，並且首度透露銀河螺鏇臂的結構。
原理
質子和電子的自鏇為平行的氫原子，其能量比自鏇是反平行的氫原子高。天然氫原子由一個質子和一個環繞質子的電子組成。除了軌道運動以外，質子和電子都有自鏇。經典的看法將氫原子看作月球繞地球公轉，同時月球和地球又分別自轉。但在量子力學和粒子物理學中自鏇不由自傳產生，電子軌道的概念也有很大區別。
電子和質子的自鏇可以是任一方向，相當於古典物理中物體繞著給定的自轉軸以順時針或逆時針方向自轉。電子和質子的自鏇方向也可能會相同或相反。因為磁場和粒子的互動作用，一個由一個質子和一個電子組成的氫原子，在質子和電子自鏇相同方向（對稱）時的能量比相反方向（反對稱）的狀況稍高。事實上，自鏇相反的氫原子能量更低是量子力學中一個固有的結果。由於質子和中子因為電荷相反，自鏇相反將會產生平行的磁矩。古典力學認為這個結構的能量較高，但量子力學的結果與古典力學剛好相反。
氫的精細結構和超精細結構。2S基態的超精細分裂是21厘米線的來源。當氫原子處在能量最低的能級時，質子的自鏇狀態從平行變成反平行時會發生超精細分裂。這個躍遷的機率極小（約只有2.9×10−15s−1），幾乎不可能發生，躍遷輻射出的電磁波處於氫原子輻射的禁線。這意味著一個天然氫原子要產生這樣的躍遷必須花費約1000萬年，因此無法在地球的實驗室中進行這樣的實驗。但在星際介質中的天然氫原子含量相當大，可以被電波望遠鏡輕易觀測到。此外，與其他氫原子的碰撞以及和宇宙微波背景輻射的互動作用也縮短作用時間。
21厘米線因為他很長的生命周期，它的原始發射譜線寬度非常窄，所以大多數譜線加寬是因為釋放輻射的區域相對觀測者而言的都卜勒效應造成。
氫的精細結構和超精細結構。2S基態的超精細分裂是21厘米線的來源。研究
21厘米輻射 twenty-onecentimeterradiation，對早期宇宙中21厘米氫譜線的研究形成了一個被稱為“21厘米宇宙學”的理論，有五個不同的國際合作項目正在建立射電望遠鏡對21厘米氫譜線輻射進行探測，主要研究方向集中在大爆炸之後的五億年左右，這些射電望遠鏡也可以探測到早期宇宙中更早時期的射電信號。
倫南·巴卡納教授希望這一領域的研究可以解開宇宙誕生與現代宇宙之間歷史長河之謎，新建造的射電望遠鏡如21厘米譜線陣列射電望遠鏡有機會對早期宇宙的一些預言進行驗證。
特拉維夫大學天體物理教授認為通過射電望遠鏡對早期宇宙21厘米氫譜線的探測可揭開宇宙第一代恆星以及古老星系之謎。
天文望遠鏡在某種意義上是一台“時間機器”，通過觀測遙遠的星系來揭開宇宙歷史，現在科學家估計宇宙的年齡為137億年左右。距離地球越遙遠的星系，其年齡一般越大，宇宙中最為古老的星系是非常難以察覺的。當前的望遠鏡技術只能發現大爆炸後7億年左右的星系，而且只有當這個古老的星系異常巨大或者像一顆古老超新星爆發這樣的事件才能被人類探測到。
理論
早期宇宙中的星系比當今宇宙中的星系要小得多A1689·zD1就是一個位於大爆炸後7億年誕生的天體，而且還是藉助了天體引力透鏡的技術才發現它的存在。現在，由特拉維夫大學科學家牽頭的國際研究小組已經發展出一種方法用於探測宇宙早期誕生的恆星。特拉維夫大學物理學和天文學家倫南·巴卡納（RennanBarkana）認為通過該方法科學家們可以探測到此前認為太遙遠而不可能被觀測到的天體。
本項研究的結果發表在《自然》期刊上，由於在早期宇宙中再電離階段氫的含量異常豐富，研究人員提出通過射電望遠鏡篩選出來自早期宇宙中氫的射電波信號，並且再電離時期的中性氫電子自鏇可發出21厘米波長的輻射。倫南·巴卡納教授認為地球上的射電望遠鏡可以探測到該波長的輻射，而其中攜帶了關於早期宇宙中恆星的信息。通過該理論的發展，開闢了更多關於宇宙中最古老星系的探索道路。
通過對早期宇宙射電信號的解讀，科學家可發現古老星系演化的特殊模式，就如同早期星系的一個清晰的符號。位於大爆炸數億年後出現的第一批宇宙星系的大小只有今天星系大小的百萬分之一，並且早期宇宙中暗物質和氣體運動模式也與今天的宇宙存在差異，影響恆星的形成。由於早期宇宙中的星系和恆星存在一種特定的波動模式，科學家認為可以很容易地從射電信號中將其篩選出來。
主要套用
無線電天文學的套用
幸運的是，21厘米線位於電磁波譜上的微波。在這個波段的電波可以輕易通過地球的大氣層被觀測到，且只有少許干涉。
一般假定氫原子是規則分布在整個星系之中，在各個觀測方向都可以發現到21厘米線；唯一的不同在於每條線的都卜勒效應強度。因此科學家可以計算出銀河系每個鏇臂的相對速度。本銀河系的星系鏇轉曲線也是由觀測21厘米線得知。可以使用星系鏇轉曲線圖以決定在星系距離中心某特定距離的鏇轉速度。
氫線的觀測也可間接用來測定星系的質量；可以限定不同時期萬有引力常數的值和研究單一星系的動力狀態。
宇宙學的套用
21厘米線在大爆炸物理宇宙學中相當重要，因為這個波段是唯一可以研究從再結合時期到再電離這段宇宙“黑暗時代”的電磁波。因為紅移，在地球上實際觀測到的頻率介於200MHz到9MHz之間。這可能有兩個套用。
第一，可以靠繪製21厘米波的紅移獲得再結合時期，非常精確的物質功率頻譜（Matterpowerspectrum）圖。第二，可以揭露宇宙是如何再電離，當中性氫被來自恆星或類星體的輻射再電離時將在21厘米線背景輻射出現“洞”。
然而，21厘米線在實務套用是很困難的。地面的觀測儀器觀測21厘米線的訊號相當微弱，且地球上電視訊號和電離層的干擾相當嚴重，因此科學家必須小心隔離和消除干涉才能成功觀測。太空中的觀測儀器，甚至要在月球的背面才能避免來自地球的干擾，可以避免這些問題。但銀河系內同步輻射和自由態間發射（Free-freeemission）等其他種電波可能造成的干擾目前仍一無所知。儘管有這些問題，太空中和重力波觀測站一起設定的21厘米線觀測站是在宇宙微波背景輻射偏極化之後，未來觀測宇宙學的重要前景。
遙測套用
土壤濕度和海水鹽分衛星（SoilMoistureandOceanSalinity,SMOS）的主要儀器孔徑綜合微波成像無線電儀（MicrowaveImagingRadiometerwithApertureSynthesis,MIRAS）的工作頻率是1400-1427MHz（包含1420.406MHz），用以觀測海水鹽分和土壤濕度。
選擇21厘米線的原因：
鹽分和水分在微波的發射譜線比更高頻的波段更加明顯；
沒有人為來源的干擾，因為21厘米波段是保留給無線電天文學使用。
尋找外星生命的可能套用
先鋒10號和先鋒11號上的先驅者鍍金鋁板描繪了中性氫原子的超精細躍遷，並使用21厘米線的波長作為量度比例尺。例如在鋁板上的女人影像被描述為波長的八倍，也就是168厘米。類似情況也出現在先鋒號鍍金鋁板與航海家1號、航海家2號的旅行者金唱片上使用氫原子自鏇轉向（Spin-flip）的頻率作為時間的比例尺在鋁板的圖中表示地球的位置。
在鋁板上的圖將太陽畫在14顆脈衝星之間，而這14顆脈衝星在1977年的自轉周期是氫原子自鏇轉向（Spin-flip）的頻率倍數。鋁板的製造者推論地球外的高等文明可以使用脈衝星的位置定位出在探測器發射時太陽系的位置。
21厘米線在SETI計畫中被認為是找尋其他外星高等文明的有力工具。可見朱塞佩·科克尼（GiuseppeCocconi）和菲利普·莫里森（PhilipMorrison）建議的原始文章，“SearchforExtra-TerrestrialIntelligence”。
彼得·瓦西里耶維奇·麥可維斯基建議SETI可以使用1420.4MHzπ倍頻率進行搜尋(1420.40575177MHz的π倍=4.46233627GHz、1420.40575177MHz的2π倍=8.92467255GHz)。因為π是超越數，這樣的頻率在自然中不可能以諧波的形式產生，比較有可能是人為產生。這樣的訊號將不會被21厘米線自己的訊號或它任何的諧波阻塞。
