En astronomie, l'expression raie à 21 cm désigne la raie spectrale en émission de longueur d'onde égale à 21 cm, et donc détectée dans le domaine des ondes radio. Le rayonnement électromagnétique à cette longueur d'onde est produit par de grands nuages d’hydrogène atomique (neutres). Le processus physique sous-jacent est la transition atomique entre les deux sous niveaux de la structure hyperfine du niveau fondamental de l’atome d’hydrogène.

  Explication

L'atome d’hydrogène est l'atome le plus simple de l’univers : son noyau est constitué d’un seul proton de charge électrique positive autour duquel ne tourne qu'un seul électron de charge négative. La mécanique quantique montre que cet électron possède des orbites possibles bien définies autour du noyau. Elles sont identiques pour tous les atomes d’hydrogène. Ces orbites sont appelées « niveaux d’énergie ». Le niveau d’énergie le plus faible (et donc le plus stable) correspond à l’orbite la plus proche du noyau : c’est le niveau fondamental. L’électron occupe cette orbite quand aucun agent extérieur ne vient l’exciter.

L'électron parcourt donc son orbite autour du noyau mais en plus tourne sur lui-même en un mouvement de rotation appelé « spin » (Le spin est un moment cinétique quantique sans équivalent classique. La particule ne tourne pas physiquement sur elle-même, mais il s'agit d'une analogie classique pour comprendre la notion de spin). Le spin est une propriété commune à toutes les particules, donc le proton qui constitue le noyau à son propre spin, son propre axe de rotation. Or l’électron peut adopter les deux sens de rotation tantôt dans le même sens que le proton, tantôt dans le sens contraire. Il se trouve que lorsque l’électron et le proton ont le même sens de rotation (des spins parallèles), l’énergie de l’électron est très légèrement supérieure à l’autre cas de figure où les spins sont dits « anti-parallèles ». La structure des niveaux atomiques liée aux possibles valeurs que peut prendre le spin, plutôt qu'aux niveaux d'énergie eux-mêmes est appelée structure « hyperfine ».

  Les deux états de l'électron

Quand l’électron saute du sous-niveau le plus haut sur le sous-niveau plus bas (c'est-à-dire qu'il change d'un spin parallèle à un spin anti-parallèle), il restitue l’énergie égale à la différence entre les deux sous-niveaux sous forme de lumière (c'est-à-dire d'onde électromagnétique). La différence d’énergie entre ces deux sous niveaux étant très faible, de l’ordre de 10^-6 électron-volt, la radiation se situe dans les micro-ondes à 21 cm de longueur d’onde. Cela correspond à une fréquence de 1420,4 MHz. Cette transition atomique entre ces 2 sous niveaux a une très faible probabilité de se produire : un atome d’hydrogène où l'électron est dans le niveau supérieur mettra plusieurs millions d’années à tomber spontanément au niveau inférieur. Malgré cela, le nombre d'atomes d'hydrogène dans l'univers, et en particulier dans le milieu interstellaire est tel que cette transition est souvent observée, et que la raie a une forte intensité (correspondant à la somme de toutes les transitions dans un laps de temps donné). De plus, les collisions entre atomes d'hydrogène favorisent cette transition. De la même manière, la probabilité de collision est extrêmement faible, mais le nombre d'atome présents est suffisamment grand pour qu'au total, le nombre de transitions soit non négligeable.

Dans le cas où l'hydrogène est sous sa forme moléculaire, notée H₂, où deux atomes d'hydrogènes sont liés par les nuages électroniques (ils se prêtent mutuellement leur électron), les deux sous-niveaux sont remplis en permanence. Dans ce cas aucune transition atomique n’est possible car les lois de la mécanique quantique interdisent à 2 électrons de se trouver sur le même sous-niveau. C’est le Principe d'exclusion de Pauli.

  Voir aussi

• Radioastronomie
• Bande interstellaire diffuse
• Mécanique quantique
• Atome d'hydrogène
• Raie de transition interdite

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