宇宙基礎編 ～ 21cm線
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21cm線（21せんちめーとるせん、21cm Hydrogen line）とは中性水素原子のエネルギー状態の変化によって放射されるスペクトル線である。21cm線は周波数 1420.40575 MHz の電波であり、その波長が 21.106114 cm であることからこの名が付けられている。21cm線は天文学、特に電波天文学の分野で広く使われている。中性の水素原子 (HI) は1個の陽子とその周囲を回る1個の電子からなる。陽子と電子はともに 1/2 というスピン量子数を持つフェルミ粒子であるため、上向きと下向きの2通りのスピン角運動量をとりうる。従って、水素原子の中での陽子と電子のスピン角運動量ベクトルの向きは平行もしくは反平行の2通りの場合がある。陽子と電子のスピンが平行な水素原子は反平行な水素原子よりもわずかにエネルギーが高い。このため、水素原子の基底状態 (1s) のエネルギー準位はこの差分だけエネルギーの異なる2つの準位（超微細構造）に分裂している。この2つの準位間の遷移は遷移確率が約 2.9 × 10-15 s-1 と非常に小さな禁制遷移である。すなわち、1個の中性水素原子がこのような遷移を引き起こす時間尺度は約 107 年で、地上の実験室でこの遷移を観測する可能性はほとんどない。しかし宇宙空間の星間物質に含まれる中性水素原子の総数は非常に多いため、電波望遠鏡を用いるとこの遷移に対応するスペクトルを容易に観測できる。これが21cm線である。21cm線は寿命が極めて長い（遷移確率が極めて小さい）ため、スペクトル線の自然幅は非常に小さい。よって21cm線に見られる線幅のほとんどは観測者に対する放射源の相対運動によるドップラー効果によるものである。