A radiação de 21 centímetros

Como vimos, o meio interestelar é muito frio. Esta baixa temperatura não é capaz de excitar as transições quânticas na região óptica ou na região ultravioleta do espectro eletromagnético do átomo de hidrogênio. 

No entanto, podemos observar o gás formado por hidrogênio atômico graças a uma transição que ocorre no comprimento de onda de 21 centímetros, já na região radio do espectro eletromagnético. Esta transição é produzida a partir de uma súbita mudança na orientação relativa entre os spins (campos magnéticos) do próton nuclear e do elétron que está em órbita em um átomo de hidrogênio.

Sabemos que o próton e o elétron são partículas que possuem carga elétrica. Devido à propriedade do spin, que pode ser comparada a um movimento de rotação em torno de um eixo se fizermos uma analogia com a física clássica, estas partículas criam pequenos campos magnéticos à sua volta. Consequentemente, estes campos interagem e, como resultado, é criada uma pequena diferença de energia entre os dois estados possíveis de spin: aquele em que os spins do próton e do elétron estão alinhados versus aquele em que estes spins estão invertidos.

A diferença de energia que existe entre estes dois possíveis estados corresponde à energia de ondas radio com comprimento de onda de 21 centímetros.

Mas, como esta radiação de 21 centímetros é observada? Ocorre que, eventualmente, átomos de hidrogênio presentes nas nuvens de gás interestelar colidem. Isto ocorre, aproximadamente, uma vez a cada 500 anos. Quando há uma colisão um dos átomos é excitado e passa a mostrar a configuração de maior energia ou seja, aquela em que os spins do próton e do elétron estão alinhados.

O átomo irá permanecer neste estado excitado por um intervalo de tempo equivalente a 11 milhões de anos quando então irá trocar o spin do elétron. Quando isto ocorre o próton e o elétron passam a ter spins diferentes e o átomo volta para o estado de energia mais baixa emitindo um fóton com comprimento de onda de 21 centímetros. Esta radiação está na região rádio do espectro eletromagnético.

É por intermédio da detecção desta radiação de 21 centímetros, feita com o uso de radiotelescópios, que podemos estudar as regiões frias do meio interestelar onde existem nuvens de gás hidrogênio atômico.