Основное состояние атома водорода расщепляется на два очень близких энергетических уровня, которые отличаются лишь взаимной ориентацией спина ядра и электрона. При переходе с верхнего состояния на нижнее излучается фотон с длиной волны 21 см
Наконец, существуют настолько долгоживущие атомные состояния, что их время жизни даже не удается измерить экспериментально. Формально, атом в таком состоянии нестабилен и, будучи предоставлен самому себе, он рано или поздно излучил бы фотон. Но только ждать этого пришлось бы очень долго, да и затруднительно в лабораторных условиях настолько идеально изолировать атом от внешних воздействий.
Однако это вовсе не значит, что излучение, испущенное таким долгоживущим состоянием, вообще не удается наблюдать! В таких ситуациях иногда на помощь человеку приходит Вселенная. В глубоком космосе существуют условия, в которых огромные облака газа в возбужденном состоянии могут начать светиться: то излучение, которого мы не смогли дождаться в лабораторном эксперименте, мы видим в космосе.
Один пример такой ситуации — это знаменитая радиолиния водорода. Это излучение в радиодиапазоне с длиной волны примерно 21 см, которое идет из глубин космоса, от гигантских облаков холодного нейтрального атомарного водорода. Это линия излучения между двумя очень близкими уровнями энергии атома водорода, которые во всём похожи друг на друга и отличаются лишь тем, как спин электрона и протона ориентированы друг относительно друга. Одна ориентация обладает чуть-чуть большей энергией, чем другая, и из-за этого «основное» состояние электрона расщепляется на два: «по-настоящему основное» и чуть-чуть возбужденное. В атомной физике это явление называется забавным термином сверхтонкое расщепление. Радиолиния водорода — это излучение, которое испускает атом, возвращаясь из возбужденного состояния в «по-настоящему основное».
Когда физики теоретически рассчитали этот переход, они смогли оценить время жизни этого возбужденного состояния — примерно 11 млн лет. Обнаружить его в лабораторных условиях нереально — по крайней мере, если речь идет о самопроизвольном излучении (а вот вынужденное излучение водорода на длине волны 21 см, наоборот, изучено вдоль и поперек; на нем основан водородный мазер, микроволновой аналог лазера). Зато в глубоком космосе существуют настолько протяженные облака нейтрального водорода, что радиоизлучение от всего облака целиком видно отлично. Наблюдения галактик в радиолинии водорода — это один из главных инструментов исследования в радиоастрономии. С его помощью зачастую можно увидеть такие особенности строения галактик, которые незаметны другими методами.
Приливные эффекты в тройке взаимодействующих галактик: крупная галактика M81 (в центре изображений) гравитационно искажает две галактики поменьше. В оптическом диапазоне (слева) эти искажения не особо заметны, зато в линии водорода 21 см (справа) отлично видны межгалактические потоки газа, которые перетекают на M81. Изображение с сайта cv.nrao.edu
Ядерные распады. «Ядерная секунда» Атомы-долгожители