科学|万物始于星际，包容一切的星际介质到底是什么？说说星空的故事( 二 )
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从微观层面上来看 ， 这是电子从轨道n=3跃迁到n=2时 ， 释放出的656.3纳米波长的能量 ， 这也被称为氢原子的Balmer-α跃迁 。
【科学|万物始于星际，包容一切的星际介质到底是什么？说说星空的故事】
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这和日常生活中荧光灯的工作原理是一样的 ， 只是荧光灯是靠水银蒸气产生紫外线 ， 然后激发灯泡内部的荧光粉发出可见光 。
宇宙中 ， 这些充斥着电离氢的区域 ， 简称为HⅡ区 ， 天文学家甚至把这些区域认为是一种特殊的天体 ， 被称为发射星云 ， 而它总是相伴一颗或一群高温恒星而存在 。
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著名的HⅡ区域：猎户座星云
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HⅡ区域：人马座的泻湖星云
在这种紫外线能量的转换中 ， 每个紫外线光子会产生一个可见光子 。 也就是说 ， 即使O型或B型恒星隐藏在星云内部 ， 也可以由此估算出引起荧光的恒星温度 。
HⅡ区的光谱比恒星光谱简单得多 ， 也更容易破译 。 与恒星相比 ， HⅡ区的组成和条件更容易确定和理解 。 因此 ， 观测HⅡ区就成了确定星系中恒星形成的一种有效手段 。
由于HⅡ区巨大且明亮 ， 使得天文学家还可以通过观测它来绘制星系结构 。 在银河系中 ， HⅡ区就呈螺旋状分布 。
然而 ， 由于O型和B型恒星的罕见 ， 所以大多数氢并不都是电离的 。 因此 ， 我们无法用可见光来捕捉星系的整体面貌 ， 而只能用更容易通过尘埃的无线电波 ， 来作为绘制星系氢分布图的最佳波长 。
充斥宇宙的中性氢
在空旷的星际空间中 ， 更多的氢元素都远离炙热的O型和B型恒星 ， 它们以冷原子的形式存在 ， 而存在的区域简称为H I区 。 其温度一般在100K到3000K之间 。
这样的氢原子 ， 其电子都在基态轨道上围绕质子运动 ， 但因为所有质子与电子都存在名为“自旋”的内禀属性 ， 所以一个电子可以有两种基态形式 ， 而这两种基态实际上有着微弱的能量差异 。
1944年 ， 荷兰天文学家亨德里克·范德·赫斯特（Hendrik van de Hulst）预言 ， 冷原子氢会由于基态电子的微小能量变化 ， 而发射出21.1厘米（频率=1420.4兆赫）特定波长的射电能 。 这种辐射被称为21厘米辐射 。
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产生21厘米辐射的微观原因在于 ， 处于基态围绕质子运动的电子 ， 存在两种相反的自旋方式：一种是与质子自旋方向一致 ， 即自旋平行状态；另一种与质子自旋方向相反 ， 即自旋反平行状态 。
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而自旋平行实际上是一个比自旋反平行略高一点的能级状态 。 同时 ， 由于宇宙中万事万物都会自发地由高能向低能转变 ， 所以自旋平行的电子最终都会自发“翻转” ， 成为自旋反平行的电子 。
只是由于这两种状态的能量差距实在太小太小 ， 所以一个氢原子平均可能要等待几百万年 ， 才可能出现这种转变 ， 而21厘米辐射就是发生这种转变时的信号 。
尽管这是一种罕见的转变 ， 但宇宙中充斥着大量的氢 ， 这意味着有足够多的氢原子在任何给定的时间上发出21厘米辐射（即便在恒星还未形成的宇宙黑暗时代） ， 从而很容易被射电望远镜探测到 。
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