Радиолиния нейтрального водорода, также линия 21 см или линия HI — запрещённая линия (в смысле электродипольного приближения) нейтрального атомарного водорода. Важнейшая радиолиния в радиоастрономии, дающая информацию о распределении нейтрального водорода и движении его облаков. Используется также для поисков внеземных цивилизаций.
Переход между сверхтонкими уровнями атома водорода в основном состоянии (параллельные и антипараллельные магнитные моменты электрона и протона). При переходе в антипараллельное состояние магнитных моментов испускается излучение на частоте 1420 МГц, соответствующее длине волны 21 см, так называемая линия нейтрального водорода 21 см.
Запрещённая линия нейтрального водорода обусловлена взаимодействием магнитных моментовэлектрона и протона в атоме водорода. Энергия атома водорода при параллельном расположении магнитных моментов электрона и протона несколько больше, чем при антипараллельном, поэтому при спонтанном изменении ориентации магнитного момента электрона на противоположную атом излучает квантэлектромагнитного излучения с длиной волны21,1 см (частота 1420,40575 МГц)[1]. Параллельно с излучением радиолинии происходит и обратный процесс — возбуждение атомов водорода электромагнитными квантами с бо́льшими энергиями, например, оптическими, либо в актах соударения атомов. Поэтому в межзвёздном атомарном водороде устанавливается динамическое равновесие между актами излучения радиоквантов и возбуждением атомов оптическими квантами и соударениями.
Такой самопроизвольный переход — время жизни возбуждённого состояния в каждом отдельном атоме происходит крайне редко — в среднем один раз за 11 миллионов лет (1 км³ водорода при плотности 1 атом/см³ излучает всего 3 кванта в секунду), и энергия каждого кванта крайне мала из-за низкой частоты (hν ≈ 0,941171⋅10−24 Дж, или 5,87433 мкэВ), поэтому интенсивность радиоизлучения межзвёздной среды на единицу объёма ничтожно мала[1]. К примеру, мощность излучения всего нейтрального водорода Солнечной системы в пределах орбиты Плутона не превышает 100 Вт. Однако в галактических масштабах мощность радиоизлучения нейтрального водорода становится заметной (например, мощность излучения всего нейтрального водорода нашей Галактики в десятки раз больше светимости Солнца), что позволяет обнаруживать его на галактических расстояниях[1][2].
Линия нейтрального водорода является важнейшей в радиоастрономии. Более половины массы межзвёздного вещества составляет нейтральный водород. Его можно исследовать только по излучению в линии 21 см, поскольку более никак он себя не проявляет. Поэтому наблюдения излучения с длиной волны 21 см дают очень ценные, часто уникальные, сведения о распределении нейтрального водорода в космическом пространстве[1].
Принципиальная возможность излучения межзвёздным водородом радиолинии 21 см показана в 1945 году X. К. ван де Хюлстом. В 1948 году советский астрофизик И. С. Шкловский рассчитал ожидаемую интенсивность излучения межзвёздного водорода и показал, что она достаточна для того, чтобы его можно было обнаружить методами радиоастрономии. В 1951 году радиолиния нейтрального водорода была экспериментально обнаружена почти одновременно Г. Юэном[de] и Э. Пёрселлом в США и К. Мюллером[nl] и Я. Оортом в Нидерландах[1][2].
Исследование излучения нейтрального водорода позволило получить информацию о структуре Галактики: выяснилось, что большая часть нейтрального водорода сосредоточена в очень тонком (по сравнению с диаметром) слое толщиной около 220 парсек в плоскости Галактики. В распределении водорода отчётливо выделяются спиральные рукава, которые прослеживаются до больших расстояний[1][2].
Проводились наблюдения излучения радиолинии 21 см не только от нашей, но и от других галактик, что позволило установить отношение массы нейтрального водорода к общей массе галактики в зависимости от её типа. С помощью таких данных были получены также кривые вращения галактик[1].
Измерение доплеровского смещения позволяет измерить скорость облаков нейтрального водорода относительно Земли, в том числе и красное смещение дальних галактик. При этом обнаружена хорошая корреляция с красным смещением оптических линий[1].
На основе радиолинии нейтрального водорода разработаны так называемые активные квантовые стандарты частоты. Для создания достаточной интенсивности линии 21 см в земных условиях используют вынужденное испускание фотонов атомами водорода в водородном генераторе. Ширина линии в нём составляет всего 1 Гц, поэтому квантовый стандарт частоты, работающий на радиолинии водорода, имеет высокую точность. В частности, в радиоастрономии этот стандарт как наиболее стабильный используется в качестве гетеродина в системах радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами[1].
