VẠCH 21 CENTIMÉT CỦA NGUYÊN TỬ HYĐRÔ.
PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC KHOẢNG CÁCH CỦA CÁC THIÊN THỂ
Hyđrô là nguyên tố thông thường nhất trong Vũ trụ. Mỗi khi thay đổi trạng thái năng lượng, nguyên tử Hyđrô phát ra một vạch có bước sóng vô tuyến 21 centimét (tần số f = 1420 megahec, tức là 1420 triệu hec). Hiện tượng tự nhiên này rất hiếm vì cứ một triệu năm, mỗi nguyên tử Hyđrô mới tự thay đổi mức năng lượng và tự phát ra vạch bức xạ 21 centimét. Khi va chạm với những hạt khác, đặc biệt với êlectrôn trong môi trường giữa các sao, nên nguyên tử hyđrô bắt buộc phải đổi mức năng lượng nhanh chóng hơn nhiều. Cho nên cứ 400 năm, mỗi nguyên tử hyđrô có phát ra một vạch bức xạ nhờ hiện tượng ''cảm ứng'' này. Thêm nữa, vì khí hyđrô nhiều nhất nên cường độ của vạch 21 centimét rất mạnh. Vạch này thường dùng để nghiên cứu cấu trúc đại quy mô của các Thiên hà và phát hiện những cánh tay xoắn ốc của chúng. Thiên hà tự quay chung quanh một trục như một bánh xe. Quan sát vạch 21 centimét ta biết định luật quay và khối lượng khí của những Thiên hà. Tốc độ quay thay đổi từ trung tâm ra ngoài vùng ngoại vi. Trong Thiên hà của chúng ta, tốc độ quay ở vùng trung tâm là 200 kilômét một giây. Tốc độ tăng dần tới 250 kilômét một giây ở vị trí Mặt trời cách trung tâm 30 nghìn năm ánh sáng và dường như không tăng nữa ra tới vùng ngoại vi. Thiên hà chứa nhiều khí nên không quay như một vật rắn. Nếu Thiên hà là một vật rắn thì tốc độ cứ tăng đều ra tận ngoài.
Vì cường độ của vạch 21 centimét rất mạnh nên vạch này được dùng để phát hiện những Thiên hà rất xa và để đo '''tốc độ xuyên tâm'' của những Thiên hà, tức là tốc độ lùi chiếu theo hướng ngắm của người quan sát. Thiên hiệu ứng Đôpơle thì tần số mà ta đo được của một vạch bức xạ phát ra bởi một vật thể giảm đi khi vật thể chuyển động lùi xa người quan sát. Khi tần số giảm đi thì bước sóng của bức xạ dài ra. Vạch bức xạ “dịch chuyển về phía đỏ”. Ngược lại, khi vật xạ bức xạ tiến về phía người quan sát thì tần số của bức xạ cao lên và bước sóng giảm đi: Vạch bức xạ “dịch chuyển về màu xanh”. Cũng như tiếng còi xe lửa của âm thanh dài ra khi xe lửa tiến về phía ta thì tiếng còi dường như cao hơn vì bước sóng của âm thanh ngắn đi. Như ta đã biết, những Thiên hà đều đi ra xa nhau nên các vạch phổ quan sát thấy chỉ dịch chuyển về phía đỏ. Tốc độ lùi càng lớn thì độ dịch chuyển về phía đỏ càng cao. Độ giảm của tần số so với tần số “nghỉ” f (của bức xạ phát ra nếu vật không thể chuyển động) là v là tốc độ xuyên tâm và c là tốc độ ánh sáng (c - 300 nghìn kilômét/giây). Vạch nguyên tử Hyđrô 21 centimét (tần số nghỉ f là 1420 megahec) phát ra bởi một Thiên hà lùi xa ta là 3000 kilômét/giây thì dịch chuyển về phía đỏ và thu được trên tần số 1420 megahec - 14,2 megahec = 1405,8 megahec. Biết tốc độ xuyên tâm lùi v, ta có thể ước tính được khoảng cách đ của Thiên hà bằng định luật Hớpbơn, đ = v/H, H là hằng số Hớpbơn. Trong thiên văn học, người ta thường dùng đơn vị kilômét/giây để đo tốc độ và đơn vị ''megapacsec'' (một megapacsec là một triệu pacsec) để đo khoảng cách. Một pacsec (pacsec, viết tắt là pc) là 3,2 năm ánh sáng và một megapacsec là 3,2 triệu năm ánh sáng. Trong hệ thống đơn vị trên thì hằng số Hớpbơn là 75. Thí dụ, nếu ta đo thấy tốc độ lùi của một Thiên hà là 750 kilômét/giây thì khoảng cách của nó là 10 Mpc.
Các nhà thiên văn học đo độ dịch chuyển về phía đỏ tức là tốc độ lùi của các Thiên hà bằng máy quang phổ. Không những vạch Hyđrô mà toàn bộ những vạch xạ trong phổ của những Thiên hà xa xăm đều cùng dịch chuyển về phía đỏ. Ta có thể đo độ dịch chuyển của bất cứ vạch nào từ vạch vô tuyến và xác định khoảng cách của Thiên hà bằng cách áp dụng định luật Hớpbơn. Khoảng cách của sao trong dải ngân hà có thể được xác định bằng cách so sánh độ sáng (cấp sao) của các sao với nhau. Độ dịch chuyển của các vạch bức xạ của những ngôi sao lân cận quá nhỏ. Vì gần Trái đất, nên vị trí biểu kiến của những thiên thể này thay đổi tuỳ theo vị trí của Trái đất trên quỹ đạo chung của Mặt trời. Trong trường hợp này, những phương pháp đo đạc khoảng cách đều dựa trên hình học. Khoảng cách của những hành tinh có thể được xác định bằng phương pháp radar phát những tín hiệu vào hướng hành tinh và đo thời gian của tiếng vọng.
