Die 21-Zentimeter-Linie

Etwa 240000 Jahre nach dem Urknall begannen sich Wasserstoff- und Heliumatome zu bilden. Ursprünglich waren sie ionisiert, doch nach einer gewissen Abkühlungszeit fingen die ionisierten Atome freie Elektronen ein und wurden neutral. Als dies geschah wurde das Universum transparent. Photonen konnten sich frei bewegen und verursachen die kosmische Hintergrundstrahlung (siehe Kosmische Hintergrundstrahlung). Doch aufgrund des Hyperfeinstrukturübergangs sendet auch Wasserstoff Strahlung aus.

Ein neutrales Wasserstoffatom besitzt ein einzelnes Proton und ein einzelnes Elektron. Im Jahr 1913 führte der Physiker Niels Bohr ein Modell des Wasserstoffatoms ein, das erklärte, warum das Spektrum des Lichts (und anderer elektromagnetischer Strahlung) von angeregten Wasserstoffatomen aus bestimmten Farblinien bestanden. Wenn man tausende Volt an eine Glasröhre mit Wasserstoffgas anlegt, kann man ein Lichtspektrum im Gas beobachten (siehe Abbildung 125.1).

Abbildung 125.1 Wasserstoff-Emissionslinien

Bohrs Modell zeigte, dass der Radius der Elektronenumlaufbahn um das Proton in einem Wasserstoffatom auf bestimmte feste Positionen (sog. Quanten) beschränkt war, und dass das Elektron bei der Änderung der Umlaufbahn entweder Energie vom Photon aufnimmt oder ein solches emittiert (siehe Abbildung 125.2).

Abbildung 125.2 Bohrs Wasserstoffmodell

Bohr stellte auch die Vermutung an, dass das Energieniveau des Elektrons von dessen Umlaufbahn abhängt. Je näher die Umlaufbahn, desto geringer die Energie, und wenn ein Sprung von der nahen zur fernen Umlaufbahn erfolgt, wird Energie (in Form eines Photons) abgegeben. Bohrs Regel lautete, dass die Frequenz des emittierten Photons f durch die Plancksche Konstante und die Änderung des Energieniveaus ΔE: f = ΔE / h bestimmt wird.

Bohrs Modell war zwar in etwa korrekt, aber nur für Wasserstoff hilfreich. Es wurde später durch die Quantenmechanik verfeinert. Mit dieser wurde dann eine Anomalie des emittierten Wasserstoffspektrums erklärt.

Auf dem niedrigsten Energieniveau, bei dem das Elektron dem Proton am nächsten ist, sind tatsächlich zwei verschiedene Energieniveaus für das Atom vorhanden. Diese treten nicht nur auf, weil das Elektron um das Proton kreist (»kreisen« ist hier nur eine Näherung, reicht aber zur Veranschaulichung aus), sondern auch, weil sowohl das Elektron als auch das Proton einen Spin besitzen. Den Spin kann man sich so vorstellen, dass das Teilchen um seine eigene Achse rotiert.

Diese Rotation führt zu einem Magnetfeld, das vom Proton und Elektron erzeugt wird. Liegen beide Magnetfelder in der gleichen Richtung (d.h. bei beiden zeigt Norden in die gleiche Richtung), dann besitzt das Atom eine etwas höhere Energie, als wenn sie entgegengesetzte Richtungen aufweisen.

Wenn der Elektron-Spin die Richtung ändert, hat dies eine Veränderung der Energie zur Folge. Sinkt die Energie, wird ein Photon emittiert. Die emittierte Wellenlänge hängt vom Unterschied im Energieniveau der beiden möglichen Elektron-Spins ab – im Prinzip so wie von Bohr vermutet. Dies bezeichnet man als Hyperfeinstrukturübergang und beim Wasserstoff besitzt das emittierte Photon eine Wellenlänge von 21 Zentimetern.

Dieser Spin-Übergang tritt nur mit einer sehr, sehr kleinen Wahrscheinlichkeit ein. Doch das Universum ist voll mit neutralem Wasserstoff und infolgedessen kann Mikrowellenstrahlung mit einer Länge von 21 Zentimetern gemessen werden. Dies liefert den Beweis für den Urknall und ist auch für Astronomen von Interesse, weil die Strahlung genutzt werden kann, um das Vorhandensein von Wasserstoff im gesamten Universum zu dokumentieren. Dadurch ist es wiederum möglich, zu einem tieferen Verständnis der Struktur des Universums nach dem Urknall zu gelangen.