Garis hidrogen umumnya mengacu pada emisi frekuensi radio dari gas hidrogen dingin di ruang antarbintang. Ada sejumlah besar hidrogen yang mengambang di galaksi kita dan di galaksi lain. Beberapa gas ini dipanaskan oleh bintang-bintang terdekat, menyebabkannya memancarkan radiasi elektromagnetik dalam spektrum yang terlihat — dengan kata lain, cahaya. Sebagian besar, bagaimanapun, jauh dari sumber panas mana pun, tetapi tetap dapat dideteksi karena fakta bahwa ia memancarkan radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang 8.3 inci (21.1 sentimeter), di dalam bagian radio dari spektrum. Ini dikenal sebagai garis 21 sentimeter, atau garis hidrogen, dan keberadaannya diprediksi oleh astronom Belanda Hendrik van de Hulst pada tahun 1944.
Menurut teori kuantum, elektron dalam sebuah atom hanya dapat memiliki tingkat energi tetap tertentu, tanpa ada apa pun di antaranya. Tingkat energi terendah dikenal sebagai “keadaan dasar.” Elektron dapat menyerap energi, menyebabkan mereka “melompat” ke tingkat energi yang lebih tinggi, tetapi cepat atau lambat, mereka akan jatuh kembali ke tingkat yang lebih rendah, dan akhirnya ke keadaan dasar, dengan waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan jumlah kelebihan energi. . Ketika sebuah elektron turun ke bawah level, energi ekstra dilepaskan sebagai radiasi elektromagnetik dengan frekuensi yang sesuai dengan perbedaan energi antara dua level.
Frekuensi radiasi elektromagnetik sebanding dengan energinya: semakin besar energinya, semakin tinggi frekuensinya. Hubungan ini dijelaskan oleh persamaan Planck: E = hf, di mana E adalah energi, f adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck, yang memiliki nilai sekitar 6.626 * 10-34 joule-detik. Panjang gelombang dapat dihitung hanya sebagai kecepatan cahaya dibagi dengan frekuensi. Jadi, ketika elektron turun dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, radiasi elektromagnetik dengan frekuensi dan panjang gelombang tertentu yang tetap, terkait dengan perbedaan energi, akan dipancarkan. Radiasi ini menunjukkan garis-garis sempit pada spektrum emisi.
Setiap elemen memiliki karakteristik, spektrum emisi unik yang terdiri dari serangkaian garis pada panjang gelombang tertentu. Deret spektral hidrogen mengandung sejumlah garis spektral, empat di antaranya berada dalam bagian spektrum yang terlihat. Salah satunya, garis merah yang dikenal sebagai H-alpha, banyak digunakan dalam astronomi untuk mendeteksi hidrogen terionisasi di nebula. Garis emisi untuk hidrogen ini masing-masing dapat dianggap sebagai garis hidrogen, tetapi istilah ini lebih sering mengacu pada emisi radio yang dihasilkan oleh gas hidrogen dingin pada panjang gelombang.
dari 21 sentimeter. Hal ini disebabkan oleh proses fisik yang berbeda. Namun, aturan yang sama mengenai energi, frekuensi, dan panjang gelombang masih berlaku.
Elektron dan proton memiliki sifat kuantum yang dikenal sebagai “spin” yang dapat memiliki dua arah yang mungkin. Karena atom hidrogen terdiri dari satu proton dan satu elektron, ia dapat memiliki dua putaran dalam arah yang sama atau dalam arah yang berbeda. Dalam kasus sebelumnya, atom memiliki sedikit lebih banyak energi dan pada akhirnya akan turun ke tingkat energi yang lebih rendah dengan elektron mengalihkan putarannya. Energi ekstra dipancarkan sebagai radiasi elektromagnetik dan karena perbedaan energinya kecil, radiasi tersebut memiliki panjang gelombang panjang dan frekuensi rendah: masing-masing 21 sentimeter dan 1420.4 MHz. Perbedaan energi yang kecil juga berarti bahwa setiap atom hidrogen dalam keadaan putaran yang sama akan, rata-rata, membutuhkan waktu yang sangat lama — beberapa juta tahun — untuk turun ke keadaan putaran yang berlawanan; namun, ada begitu banyak hidrogen dingin di galaksi sehingga pada suatu waktu atom hidrogen yang cukup akan memancarkan gelombang radio 21 sentimeter agar dapat dideteksi.
Garis 21 sentimeter terdeteksi pada tahun 1951 oleh Harold Ewen dan Edward Purcell. Ini telah terbukti sangat penting dalam astronomi radio. Sebagian besar galaksi kita tersembunyi dari pandangan oleh awan debu besar yang tidak memungkinkan cahaya dari bintang melewatinya. Gelombang radio, bagaimanapun, tidak terhalang oleh awan debu dan, karena ada kelimpahan besar hidrogen dingin di galaksi, adalah mungkin untuk mengamati dan memetakan galaksi menggunakan emisi radio pada garis hidrogen. Astronomi radio, menggunakan garis hidrogen, memungkinkan kita menentukan ukuran, bentuk, dan struktur galaksi kita.
Garis hidrogen juga memiliki arti penting bagi Search for Extra Terrestrial Intelligence (SETI). Diperkirakan sangat mungkin bahwa peradaban berteknologi maju mungkin menggunakan frekuensi ini untuk mencoba berkomunikasi dengan peradaban lain. Frekuensi telah digunakan tidak hanya untuk mendengarkan pesan yang masuk, tetapi juga untuk mengirimnya. Pesawat ruang angkasa Pioneer 10 dan 11, yang ditakdirkan untuk melayang tanpa batas melalui ruang antarbintang, berisi plakat yang menggambarkan garis hidrogen, panjang gelombangnya, frekuensinya, dan fisika di belakangnya. Ini mewakili unit pengukuran yang diyakini dapat dipahami oleh alien.