Το παρατηρήσιμο σύμπαν περιέχει περίπου 1080 άτομα. Τα περισσότερα από αυτά είναι άτομα απλού υδρογόνου: το καθένα συνίσταται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Tο ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο έχουν σπιν, μπορούμε δηλαδή να τα φανταστούμε σαν δυο μαγνητικά δίπολα που μπορούν να έχουν παράλληλο ή αντιπαράλληλο προσανατολισμό. Όταν σχηματίζεται ένα άτομο υδρογόνου, οι πιθανότητες ώστε τα σπιν ηλεκτρονίου και πρωτονίου να είναι παράλληλα ή αντιπαράλληλα είναι 50-50. Αν είναι παράλληλα, τότε μετά από πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα το άτομο μεταβαίνει στην κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας με τα σπιν αντιπαράλληλα: αυτή η κβαντική μετάβαση εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος ίσο με 21 cm και συχνότητα 1420 ΜHz, στην ραδιοφωνική περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Η ανακάλυψη της γραμμικής εκπομπής και απορρόφησης του υδρογόνου στα 21 cm έγινε το 1951 από τους H.I. Ewen και Ε.Μ. Purcell στο Harvard, τους C. A. Muller και J.H Oort στην Ολλανδία και τον J.L. Pawsey στην Αυστραλία, αποτελώντας σταθμό στην ιστορία της ραδιοαστρονομίας. Η φασματική γραμμή 21 cm διεισδύει στην ατμόσφαιρα και μπορεί να παρατηρηθεί από τη Γη με μικρές παρεμβολές. Μπορεί επίσης εύκολα να διαπεράσει σύννεφα διαστρικής κοσμικής σκόνης που είναι αδιαφανή στο ορατό φως.
Γιατί το μήκος των 21 εκατοστών είναι ένα από τα σημαντικότερα μήκη στο σύμπαν;
Κατ’ αρχάς παίζει σημαντικό ρόλο στην μελέτη του διαστρικού χώρου. Εκεί πραγματοποιούνται όλες οι φάσεις της διαδικασίας σχηματισμού των άστρων με πρώτο στάδιο τον σχηματισμό των διαστρικών νεφελωμάτων. Τα νεφελώματα αυτά (ονομάζονται περιοχές ΗI) εκπέμπουν την χαρακτηριστική ακτινοβολία των 21 cm της υπέρλεπτης υφής της θεμελιώδους στάθμης του ατομικού υδρογόνου – το πιο άφθονο στοιχείο στην διαστρική ύλη.
Τα 21 εκατοστά είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό εργαλείο για την ανίχνευση της δομής του Γαλαξία μας αλλά και άλλων απομακρυσμένων γαλαξιών. Οι σπειροειδείς γαλαξίες, όπως και ο δικός μας, περιέχουν σημαντική ποσότητα σκόνης και αερίων, που απορροφούν ισχυρά σε οπτικά μήκη κύματος. Έτσι, η οπτική ακτινοβολία των άστρων και των άλλων αντικειμένων που βρίσκονται στο γαλαξιακό επίπεδο σε απόσταση μεγαλύτερη από 1 έως 2 παρσέκ απορροφάται από την μεσοαστρική σκόνη και ποτέ δεν φτάνει μέχρι τη Γη. Πέραν αυτής της απόστασης οι παρατηρήσεις μας γίνονται σχεδόν αποκλειστικά σε υπέρυθρα μήκη κύματος και (κυρίως) ραδιοφωνικά. Ο τεράστιος πλούτος πληροφοριών που διαθέτουμε σήμερα για την κατανομή και τις κινήσεις (μέσω του φαινομένου Doppler) της διαστρικής ύλης στον γαλαξία μας, οφείλεται σ’ αυτή την ακτινοβολία.
Τα 21 εκατοστά μπορούν να γίνουν και κοσμολογικό εργαλείο για την διερύνηση των πρώτων εποχών του σύμπαντος. Στα πρώτα 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη το σύμπαν ήταν ένα θερμό και πυκνό ιονισμένο πλάσμα. Στη συνέχεια, ψύχθηκε αρκετά έτσι ώστε τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια που γέμιζαν το σύμπαν να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα. Το 92% αυτών των ατόμων ήταν υδρογόνο (ενώ σήμερα, μετά από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, ο αριθμός αυτός φτάνει στο 90% περίπου). Τα ουδέτερα άτομα υδρογόνου που σχηματίστηκαν είχαν πιθανότητα 50% να έχουν παράλληλα τα σπιν ηλεκτρονίου και πρωτονίου. Και μπορούσαν να υποστούν την μετάβαση προς την θεμελιώδη κατάσταση των αντιπαράλληλων σπιν, εκπέμποντας ακτινοβολία μήκους κύματος 21 εκατοστών. Αυτό ήταν το μόνο «φως» που εκπέμπονταν στο σύμπαν μετά τον σχηματισμό των πρώτων ουδέτερων ατόμων, πολύ πριν αρχίσει η δημιουργία των άστρων. Έτσι ξεκίνησε μια «σκοτεινή» περίοδος για το σύμπαν, όπου δεν υπήρχαν πηγές ορατού φωτός.
Με τον σχηματισμό των πρώτων άστρων και γαλαξιών περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια αργότερα, αυτό το αέριο άρχισε να ιονίζεται πάλι από την υπεριώδη ακτινοβολία των άστρων. Ιονισμός σημαίνει απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από τα άτομα, και όσον αφορά το υδρογόνο, τα ηλεκτρόνια διαχωρίζονται από τα πρωτόνια, κάνοντάς τα ελεύθερα σωματίδια. Η εποχή που συνέβη αυτός ο επαναϊονισμός είναι γνωστή ως «κοσμική αυγή». Διαμέσου της ακτινοβολίας των 21 εκατοστών θα μπορούσαμε να μελετήσουμε την σκοτεινή εποχή, τον κοσμικό μεσαίωνα του σύμπαντος, όταν σχηματίστηκαν για πρώτη φορά σταθερά ουδέτερα άτομα υδρογόνου, μέχρι την εποχή του επαναϊονισμού.
Ένας προηγμένος εξωγήινος πολιτισμός που διερευνά το σύμπαν σίγουρα θα έχει ανιχνεύσει το μήκος κύματος των 21 εκατοστών. Τα μη επανδρωμένα διαστημόπλοια της ΝΑSΑ Pioneer 10 και 11, που εκτοξεύθηκαν το 1972 και 1973 και τα Voyager 1 και 2 που εκτοξεύθηκαν το 1977, ήταν γνωστό ότι θα ξεπερνούσαν τα όρια του ηλιακού συστήματος. Για την εξαιρετικά απίθανη περίπτωση που θα πέσουν «στα χέρια» εξωγήινων, τα διαστημικά σκάφη περιέχουν σε μια πλάκα από χρυσό διάφορες πληροφορίες, μεταξύ των οποίων και την διαδικασία εκπομπής των 21 cm από το άτομο υδρογόνου. Χρησιμοποιήθηκε δηλαδή, η μόνη γλώσσα που μπορεί να είναι αληθινά παγκόσμια. Η γλώσσα της Φυσικής.
ΠΗΓΗ
