21厘米谱线

中性氢，宇宙中最常见的气体，藏着一个秘密信号——它在21厘米波长（频率1420兆赫）上发出的一个单一而尖锐的射电音符。这一微弱的低鸣，即21厘米谱线，是整个天文学中最重要的信号之一，因为它让我们得以看见原本不可见、弥散于星系各处的冷氢气，而且它能径直穿过挡住可见光的尘埃。

这个信号源自一个极其微妙的事件。一个氢原子是一个质子加一个电子，两者都像微小的磁铁，具有一种称为自旋的性质。当电子的自旋从与质子同向翻转为反向时，原子便以一个恰好21厘米的射电光子的形式释放出一丁点能量。对任何单个原子而言，这种翻转极为罕见——平均约每一千一百万年才发生一次——但一个星系中的氢原子如此之多，以致它们合在一起的微光很容易被射电望远镜探测到。由于这条谱线极其尖锐，它波长上的任何多普勒移动，都能精确测出气体朝我们或离我们运动的速度。

21厘米谱线于1944年被预言、1951年首次被探测到，它变革了天文学。通过在全天对它进行测绘并读取它的多普勒移动，天文学家描绘出了银河系的旋臂、测出了星系如何自转，并揭示了那个指向暗物质的自转难题。如今，雄心勃勃的实验希望探测来自早期宇宙、第一批恒星形成之前的21厘米信号——用这一个微弱的氢音符，去探查宇宙的历史本身。