#今天要来点物理吗？##宇宙学# 继续聊氢线

一年前说过，在浩瀚无垠的宇宙中，蕴藏着一条了解宇宙构成的基本线索：波长21厘米的氢线。
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但是却没有谈及氢线是如何构成。昨天正好看到了Ethan Siegel讲解其成因http://t.cn/A6KXs3w9。

在整个宇宙中，最常见的原子是氢，只有一个质子和一个电子。无论新恒星在哪里形成，氢原子都会电离，如果这些自由电子能够再次找到自由质子，氢原子就会再次变为中性。尽管电子通常会沿着允许的能级联到基态，但通常只产生一组特定的红外光、可见光和紫外线。但更重要的是，氢气中发生了一种特殊的转变，它产生的光大约有我们巴掌大小：波长为21厘米。

即使是对于物理学家，他们也有理由把这21厘米看作是宇宙的“神奇长度”，因为它有一天可能会解开隐藏在最深的宇宙深处的最黑暗的秘密。

我们通常了解的氢原子是处于某一能级（电子围绕质子转动），但在量子力学的框架下，电子和质子不仅有位置上的运动，还具有自旋（spin）这一量子特性。

电子有自旋，可以是两种状态之一：向上（+1/2）或者向下（-1/2）。在氢原子中，电子和质子的自旋可以是相同方向（平行自旋）或相反方向（反向自旋）。

当氢原子的电子和质子的自旋方向相反时，系统处于低能态。但是当电子和质子的自旋方向相同时，系统就处于高能态。差不多在1000万年里，它有机会借助量子隧穿效应，转变到低能态（直接转变是被”禁止“的）。此时辐射出的能量就是波长21厘米的光子（电磁辐射）！

这种过程被称为自旋翻转。

在宇宙的演化过程中，早期氢原子在宇宙“黑暗时代”（大约宇宙形成后的38万年到几亿年之间）大量存在。在这个时期，宇宙中充满了气体，氢原子有50%的几率处于高能态（自旋方向一致），所以它们最终会辐射出电磁波。

千万年的等待看似漫长，但是从宇宙年龄的尺度来看，不过尔尔。最早生成的氢原子辐射出波长精确值 21.106114053 厘米的光子时，宇宙中连恒星都不存在。

这种需要漫长等待的过程，对现代物理学家来说，反而更好。波长21厘米、频率为 1420兆赫兹的光子本质上是极其狭窄的。事实上，这是原子和核物理学中已知的最窄、最精确的过渡线！

在宇宙形成的极早期，高达92%的原子正是这种氢。图二红色的银河系图绘制了辐射21厘米氢线的氢元素分布。这张图不是均匀的。因为自旋对齐原子的半衰期只有大约1000万年：在实验室中很长，但与银河系的130亿年历史相比，则很短暂。

这为我们提供了一种前所未有的极具挑衅性的方式来测量宇宙的早期阶段。如果我们能找到一团富含氢的气体云，即使是从未形成过恒星的气体，我们就可以寻找这个自旋翻转信号——需要计入宇宙的膨胀和相应的光的红移——观测宇宙中最早的原子。

除了原始信号外，每当产生新恒星时，都会产生21厘米氢线。因为每次发生恒星形成事件时，质量更大的新生恒星都会产生大量的紫外线辐射：这种辐射的能量足以电离氢原子。突然之间，曾经充满中性氢原子的空间现在充满了自由质子和自由电子。

但这些电子不会永远保持电离状态;如果它们所在的星际环境有足够的自由原子核（例如质子），它们最终将再次被这些质子捕获。一旦质量最大的恒星消亡，就不再有足够的紫外线辐射来继续一遍又一遍地电离它们，然后这些电子将再次沉到基态，在那里它们重新有50/50的机会成为自旋对齐/反向的中性原子。

如此以来，氢线就是指向恒星的关键线索，解答众多天文学上的遗留问题。

甚至可以在实验室中创建和测量足够多的自旋对齐氢原子，以受控方式直接检测这种自旋翻转跃迁，以此获得超越天文学的见解。

不过由于平均要1000万年才能衰变，这意味着我们需要人工制造10^15个自旋对齐的原子，让它们在低温下保持静止。然后等待它们发光！如此，不但可以测量发射线，还可以测量发射线的宽度。以此对照，可以探知早期引力波的属性。