Raie à 21 centimètres

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La raie à 21 cm est un rayonnement électromagnétique produit par les immenses nuages d’hydrogène atomique qui peuplent l'espace, et qui est détectée par radioastronomie.

Sa définition est plutôt indigeste : « L’émission de la raie à 21 cm est due à une transition atomique entre les deux sous niveaux de la structure hyperfine du niveau fondamental de l’atome d’hydrogène »

Décortiquons la pour comprendre : Un atome d’hydrogène, c’est simple, il n’y a même rien de plus simple dans l’univers car son noyau est constitué d’un seul proton de charge électrique positive avec un électron négatif, 1836 fois moins massif, qui lui tourne autour. La mécanique quantique nous enseigne que cet électron a des orbites possibles bien définies autour du noyau. Elles sont identiques pour tous les atomes d’hydrogène. Ces orbites sont appelées «niveaux d’énergie». Le niveau d’énergie le plus faible correspond à l’orbite la plus proche du noyau, c’est le niveau fondamental. L’électron occupe cette orbite quand aucun agent extérieur ne vient l’exciter comme dans les grands nuages froids du cosmos.

Revenons à notre électron, il parcourt donc son orbite autour du noyau mais en plus il tourne sur lui-même en un mouvement de rotation appelé ‘’ spin ‘’. Il faut savoir que le spin est une propriété commune à toutes les particules, donc le proton qui constitue le noyau a son propre spin, son propre sens de rotation. Or l’électron peut adopter les deux sens de rotation tantôt dans le même sens que le proton, tantôt dans le sens contraire. Ces deux sens de rotation déterminent les deux sous niveaux dont on parle plus haut. Quand l’électron et le proton ont le même sens de rotation (des spins parallèles), l’énergie de l’électron est très légèrement supérieure à l’autre cas de figure où les spins sont dits ‘’anti-parallèles’’ Quand l’électron saute du sous niveau haut sur le sous niveau bas, il restitue l’énergie acquise en émettant cette fameuse raie. La différence d’énergie entre ces deux sous niveaux étant très faible, de l’ordre de 10^-6 électron-volt, la radiation se situe dans les micro-ondes à 21 cm de longueur d’onde. Cela correspond à une fréquence de 1420,4 MHz. Cette transition atomique entre ces 2 sous niveaux a une très faible probabilité de se produire : un atome d’hydrogène abandonné dans le niveau supérieur mettra plusieurs millions d’années à retomber au niveau inférieur. Malgré cela il y a tellement d’atomes d’hydrogène dans le milieu interstellaire que cette raie a une intensité appréciable. J’ai parlé uniquement d’hydrogène atomique, en effet l’hydrogène se trouve également sous sa forme moléculaire : H₂. Dans ce cas les 2 atomes sont liés par les nuages électroniques : ils se prêtent mutuellement leur électron de façon à remplir les 2 sous-niveaux en permanence. Dans ce cas aucune transition atomique n’est possible car les lois de la mécanique quantique interdisent à 2 électrons de se trouver sur le même sous niveaux. C’est le principe d’exclusion.

Il est curieux de noter que des structures aussi gigantesques que les nuages interstellaires laissent la parole à un petit électron d’environ 10^-27 grammes, c’est l’infiniment petit du monde des particules qui dirige l’univers.