21cm線

中性水素原子が特定のエネルギー状態間で遷移する際に放出される電波は、天文学において極めて重要な観測手段となっています。この電波は、その周波数が1420.40575メガヘルツ、対応する波長が約21.1センチメートルであることから、「21cm線」として広く知られています。特に電波天文学の分野では、宇宙の構造や物質分布を探る上で欠かせない情報をもたらすスペクトル線です。

放射機構

この21cm線は、中性水素原子（記号：HI）の内部構造に由来します。水素原子は、中心に陽子を一つ持ち、その周囲を電子が一つ回っています。陽子と電子はどちらもスピンと呼ばれる性質を持っており、これは小さな磁石のようなものと考えることができます。陽子と電子のスピンの向きには、互いに平行な場合と、反対方向を向く反平行な場合があります。これらのスピンの向きの違いによって、水素原子の最も低いエネルギー状態（基底状態）は、ごくわずかにエネルギーの異なる二つの準位に分かれています。このエネルギー準位の分裂は「超微細構造」と呼ばれています。スピンが平行な状態は、反平行な状態よりもわずかにエネルギーが高いのです。

21cm線は、このエネルギーの高い準位にある水素原子が、エネルギーの低い準位へと遷移する際に放出されます。ただし、この遷移は「禁制遷移」と呼ばれる種類のもので、非常に起こりにくいものです。具体的には、一つの水素原子がこの遷移を起こす確率は、1秒間に約2.9×10⁻¹⁵という極めて小さな値です。これは、個々の原子が自発的にこの電波を放出するまでにおよそ1000万年もの長い時間がかかることを意味します。そのため、地上の実験室で一つ二つの水素原子の遷移を観測することは現実的ではありません。しかし、広大な宇宙空間には膨大な数の中性水素原子が存在しており、星間物質として銀河全体に広く分布しています。この莫大な数の原子が集まることによって、全体としては十分な強さの電波が放射されており、高性能な電波望遠鏡を使えば容易に検出することができるのです。この観測された電波が21cm線です。

21cm線のスペクトル線は、個々の原子の遷移が非常に稀であるため、理論的な線幅（自然幅）は極めて狭くなっています。しかし、実際に電波望遠鏡で観測される21cm線の線幅は、この自然幅よりもはるかに広いです。これは、観測者である地球に対して、電波の放射源である水素ガス雲が様々な速度で運動しているためです。この運動によって、ドップラー効果が生じ、観測される電波の周波数がわずかにずれることで、スペクトル線が広がって見えるのです。したがって、21cm線の線幅やスペクトル形状を詳しく分析することで、水素ガス雲の運動状態を知ることができます。

発見の歴史

21cm線の発見は、電波天文学の初期の発展と密接に関わっています。1930年代には、地球外から飛来する電波ノイズの存在が認識されており、1933年にはカール・ジャンスキーがその発生源が我々の銀河系の中心方向にあることを突き止めました。その後、グロート・リーバーによる初の全天電波地図作成といった先駆的な観測が進められる中で、オランダの天文学者ヤン・オールトは、もし電波領域に特定の周波数で輝くスペクトル線があれば、それを使って銀河の構造などを詳細に調べられるのではないかと考えました。オールトはこのアイデアを同僚のヘンドリク・ファン・デ・フルストに伝え、ファン・デ・フルストは理論的に、水素原子の超微細構造遷移から1420.4058メガヘルツの電波が放射される可能性があることを予言しました。

ファン・デ・フルストが予言したこの電波、すなわち21cm線は、1951年に実際に観測によって検出されました。最初の検出は、同年3月25日にアメリカのハーバード大学のハロルド・ユーエンとエドワード・パーセルによって行われました。続いて、5月11日にはオランダのミュラーとオールトの研究チームも独立に検出に成功しました。これらの発見は、いずれもイギリスの科学雑誌『ネイチャー』に続けて掲載され、世界中の天文学者に大きな衝撃を与えました。さらに同年7月には、オーストラリアの研究者らも検出を確認し、21cm線は天文学における新たな観測窓として確立されました。翌1952年以降、21cm線の観測は精力的に進められ、銀河系内に広がる中性水素ガスの分布図が詳細に作成されました。これにより、我々の銀河系が、その渦巻構造を電波によって初めて明らかにしたのです。

電波天文学への応用

21cm線が電波帯域にあることは、天文学的な観測にとって非常に幸運でした。なぜなら、この周波数の電波は、地球の厚い大気を比較的容易に透過し、地上からでも観測できるからです。可視光など、他の波長の電磁波の多くは大気に吸収されたり散乱されたりするため、宇宙からの信号を地上で捉えるには限界があります。

水素は宇宙に存在する元素の中で最も豊富であり、宇宙全体のバリオン（通常の物質）質量の約8割を占めるとも言われています。この豊富な水素が放射する21cm線は、銀河内のガス分布や運動を調べる上で極めて強力なツールとなります。他のスペクトル線（例えばHα線など、禁制遷移でないもの）も水素の観測に使われますが、これらは密度が比較的低い領域をトレースするのに適しているのに対し、21cm線は、より高密度のガスが存在する分子雲の内部構造を探るのにも有効です。

銀河系内の中性水素ガスは広く分布しているため、電波望遠鏡で銀河系の様々な方向を観測すると、どの方向でも21cm線が検出されます。それぞれの方向で観測される21cm線のスペクトル形状や中心周波数のずれ（ドップラーシフト）は、その視線方向にある水素ガスの集団が、我々から見てどのような速度で動いているかを示しています。このドップラーシフトの情報を詳細に解析することで、銀河系内のガス雲の運動パターンを立体的に把握することが可能になります。特に、銀河系の回転構造を調べる際には、21cm線のドップラーシフトを利用して、各所のガス雲が銀河中心の周りを公転する速度を測定します。これにより、銀河の「回転曲線」と呼ばれる、銀河中心からの距離と回転速度の関係を示す重要なグラフを作成することができます。また、この回転曲線の情報と観測された視線速度から、逆に銀河系内の特定のガス雲までの距離を推定することも行われています。

さらに、21cm線の観測データは、銀河全体の質量や、銀河がどのように形成され進化してきたかといった問題を研究する上でも重要な情報を提供します。個々の銀河の運動や、銀河団内のガス分布、さらには遠方の活動銀河（クエーサーなど）の構造を理解するためにも間接的に利用されています。

21cm線は宇宙空間で最も遍在する信号の一つであることから、地球外知的生命探索（SETI）プロジェクトにおいても、宇宙からの通信を探すための重要な周波数帯としてしばしば選ばれています。宇宙に向けて地球文明の情報を伝えるためにNASAが打ち上げたパイオニア探査機に搭載された金属板には、地球の位置を示す図とともに、長さや時間の基本的な単位として21cm線の波長と周波数が描き込まれていました。

21cm線の科学的意義の高さは国際的にも認識されています。国際電気通信連合（ITU）の無線通信規則では、1400 MHzから1427 MHzまでの周波数帯域が、電波天文学を含む受動的な宇宙観測のために特別に割り当てられており、この帯域での意図的な電波の発信は厳しく制限されています。これは、宇宙から届く微弱な21cm線信号を、地上のノイズから保護するための重要な措置です。

21cm線は、中性水素という宇宙で最も基本的な要素が発する信号を通じて、我々に銀河の構造、運動、進化に関する深い洞察を与えてくれる、天文学の歴史と未来を繋ぐ重要な窓なのです。

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