21公分線

天然氫原子由一個質子和一個環繞質子的電子組成。除了軌道運動以外，質子和電子都有自旋。經典的看法將氫原子看作月球繞地球公轉，同時月球和地球又分別自轉。但在量子力學和粒子物理學中自旋不由自轉產生，電子軌道的概念也有很大區別。

電子和質子的自旋可以是任一方向，相當於經典物理中物體繞着給定的自轉軸以順時針或逆時針方向自轉。電子和質子的自旋方向也可能會相同或相反。因為磁場和粒子的相互作用，一個由一個質子和一個電子組成的氫原子，在質子和電子自旋相同方向（對稱）時的能量比相反方向（反對稱）的狀況稍高。事實上，自旋相反的氫原子能量更低是量子力學中一個固有的結果。由於質子和電子因為電荷相反，自旋相反將會產生平行的磁矩。經典力學認為這個結構的能量較高，但量子力學的結果與經典力學剛好相反。

當氫原子處在能量最低的能級時，質子的自旋狀態從平行變成反平行時會發生超精細分裂。這個躍遷的概率極小，幾乎不可能發生，躍遷輻射出的電磁波處於氫原子輻射的禁線。這意味着一個天然氫原子要產生這樣的躍遷必須花費約1000萬年，因此無法在地球的實驗室中進行這樣的實驗。但在星際介質中的天然氫原子含量相當大，可以被電波望遠鏡輕易觀測到。此外，與其他氫原子的碰撞以及和宇宙微波背景輻射的相互作用也縮短作用時間。

21釐米線因為他很長的生命週期，它的原始發射譜線寬度非常窄，所以大多數譜線加寬是因為釋放輻射的區域相對觀測者而言的多普勒效應造成。 ^[1] 

在1930年代，注意到有一個來自地球之外的電波“噪聲”，以日為變化週期。最初認為這是來自太陽的無線電波，後來觀測到這個電波訊號似乎來自銀河系的中心。揚·奧爾特在1940年公佈了這個發現，並且知道如果能在頻譜的無線電波部分發現一條與之對應的發射譜線，對天文學的進展將有着重大的意義。他將這個訊息轉達給亨德里克·範德胡斯特，而他在1944年發現在基態的氫原子有着兩個非常靠近的能級，可以使中性氫能夠發射頻率為1420.405MHz的輻射。

哈佛大學的哈羅德·艾文（Harold Ewen）和珀塞爾在1951年率先檢測出了21釐米線，而且在發表之後不僅得到荷蘭天文學家C.A.穆勒和揚·奧爾特的證實，並且也得到澳大利亞的克利斯蒂安森和Hindman的證實。1952年後，第一張銀河系中性氫的地圖被繪製出來，並且首度透露銀河螺旋臂的結構。 ^[1] 

幸運的是，21釐米線位於電磁波譜上的微波。在這個波段的電波可以輕易通過地球的大氣層被觀測到，且只有少許干涉。

一般假定氫原子是規則分佈在整個星系之中，在各個觀測方向都可以發現到21釐米線；唯一的不同在於每條線的多普勒效應強度。因此科學家可以計算出銀河系每個旋臂的相對速度。本銀河系的星系旋轉曲線也是由觀測21釐米線得知。可以使用星系旋轉曲線圖以決定在星系距離中心某特定距離的旋轉速度。

氫線的觀測也可間接用來測定星系的質量；可以限定不同時期萬有引力常數的值和研究單一星系的動力狀態。 ^[1] 

21釐米線在大爆炸物理宇宙學中相當重要，因為這個波段是唯一可以研究從複合時期到再電離這段宇宙“黑暗時代”的電磁波。因為紅移，在地球上實際觀測到的頻率介於200MHz到9MHz之間。這可能有兩個應用。第一，可以靠繪製21釐米波的紅移獲得複合時期，非常精確的物質功率頻譜（Matter power spectrum）圖。第二，可以揭露宇宙是如何再電離，當中性氫被來自恆星或類星體的輻射再電離時將在21釐米線背景輻射出現“洞”。

然而，21釐米線在實務應用是很困難的。地面的觀測儀器觀測21釐米線的訊號相當微弱，且地球上電視訊號和電離層的干擾相當嚴重，因此科學家必須小心隔離和消除干涉才能成功觀測。太空中的觀測儀器，甚至要在月球的背面才能避免來自地球的干擾，可以避免這些問題。但銀河系內同步輻射和自由態間發射（Free-free emission）等其他種電波可能造成的干擾目前仍一無所知。儘管有這些問題，太空中和引力波觀測站一起設置的21釐米線觀測站是在宇宙微波背景輻射偏極化之後，未來觀測宇宙學的重要前景。

2018年2月28日，邊緣實驗發言人袓德·鮑曼表示，使用位於澳洲穆爾奇森無線電天文台的射線頻譜儀探測21釐米線紅移，首次探測到，約在宇宙大爆炸的1億8千萬年之後，最早形成的星球的發光景象。 ^[1] 

土壤濕度和海水鹽分衞星（Soil Moisture and Ocean Salinity, SMOS）的主要儀器孔徑綜合微波成像無線電儀（Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis, MIRAS）的工作頻率是1400-1427MHz（包含1420.406MHz），用以觀測海水鹽分和土壤濕度。選擇21釐米線的原因：

先鋒10號和先鋒11號上的先驅者鍍金鋁板描繪了中性氫原子的超精細躍遷，並使用21釐米線的波長作為量度比例尺。例如在鋁板上的女人影像被描述為波長的八倍，也就是168釐米。類似情況也出現在先鋒號鍍金鋁板與航海家1號、航海家2號的旅行者金唱片上使用氫原子自旋轉向（Spin-flip）的頻率作為時間的比例尺在鋁板的圖中表示地球的位置。

在鋁板上的圖將太陽畫在14顆脈衝星之間，而這14顆脈衝星在1977年的自轉週期是氫原子自旋轉向（Spin-flip）的頻率倍數。鋁板的製造者推論地球外的高等文明可以使用脈衝星的位置定位出在探測器發射時太陽系的位置。

彼得·瓦西裏耶維奇·麥可維斯基建議SETI可以使用1420.4MHzπ倍頻率進行搜尋 (1420.40575177 MHz的π倍 = 4.46233627GHz、1420.40575177 MHz的2π倍 = 8.92467255GHz)。因為π是超越數，這樣的頻率在自然中不可能以諧波的形式產生，比較有可能是人為產生。這樣的訊號將不會被21釐米線自己的訊號或它任何的諧波阻塞。 ^[2]