“21厘米线”，或“21厘米辐射”是一种电磁波(令人惊讶的是波长为平方英尺=21厘米)，这对天体物理学来说非常重要。
这是因为这条21厘米的线对应于氢原子基态的超精细跃迁。
“电子”跃迁是指一个光子被吸收，而一个电子被激发到一个完整的能级(反之亦然)。精细结构跃迁是由相对论效应引起的微小修正在这些能级的子能级之间产生的。
超精细跃迁是下一个修正——它们是由核自旋和电子自旋之间的耦合引起的精细结构线的令人难以置信的小分裂(还有其他一些事情)。
这意味着超精细的跃迁能量非常低——进入微波(甚至无线电)波长，因此波长为21厘米。
这条21厘米的线也被称为“自旋翻转”线，因为跃迁等于电子相对于原子核的自旋翻转。
对于自发衰变，这种转变是高度禁止的。
这意味着，多亏了守恒定律和允许的跃迁，这种跃迁基本上不会自己发生。
上图中处于F=1状态的原子有大约1000万年的寿命。对于原子跃迁来说，这是一段很长的时间!
幸运的是，空间很大。
这意味着宇宙中存在着巨大的氢原子云，尽管每个原子平均需要1000万年的时间才能衰减，但它们的数量意味着在21厘米处会有一个一致的信号，表明存在大量的氢原子。
因此，我们可以用这条21厘米的线来观察宇宙中存在大量氢原子云的地方。
我们还可以利用我们如此精确地知道它的波长(它的自然宽度非常小)这一事实，来精确地计算出这条线所经历的红移，从而计算出云移动的速度。
任何时候，只要你想观察氢原子，以及它在宇宙中的位置，21厘米的线就是你可靠的老朋友了。这是氢的独特特征，它有许多有用的特性。
这也是为什么天体物理学和宇宙学的研究——研究宇宙中最大的物体——需要知道最小的物体(比如原子)是如何工作的一个很好的例子。
它也展示了天体物理学如何可以作为一个令人难以置信的粒子物理实验室。我们通常不会在实验室里观察到自旋翻转线，因为它太罕见了，但往外看，我们可以看到它在我们周围!因此，观察太空有助于探索物质本身的特性。
