Ūdeņraža līnija parasti attiecas uz aukstās ūdeņraža gāzes radiofrekvences emisijām starpzvaigžņu telpā. Mūsu galaktikā un citās galaktikās peld milzīgs daudzums ūdeņraža. Daļu no šīs gāzes silda tuvumā esošās zvaigznes, izraisot elektromagnētisko starojumu redzamajā spektrā, citiem vārdiem sakot, gaismu. Tomēr liela daļa no tā ir tālu no jebkura siltuma avota, bet tomēr ir nosakāma, jo tā izstaro elektromagnētisko starojumu 8.3 collu (21.1 centimetru) viļņa garumā spektra radio daļā. To sauc par 21 centimetra līniju jeb ūdeņraža līniju, un tās pastāvēšanu 1944. gadā prognozēja nīderlandiešu astronoms Hendriks van de Hulsts.
Saskaņā ar kvantu teoriju elektroniem atomā var būt tikai noteikti fiksēti enerģijas līmeņi, un starp tiem nav nekā. Zemākais enerģijas līmenis ir pazīstams kā “pamatstāvoklis”. Elektroni var absorbēt enerģiju, liekot tiem “lēkt” uz augstāku enerģijas līmeni, taču agrāk vai vēlāk tie nokritīs atpakaļ zemākā līmenī un galu galā pamatstāvoklī, un laiks, kas nepieciešams, ir apgriezti proporcionāls liekās enerģijas daudzumam. . Kad elektrons pazemina līmeni, papildu enerģija tiek atbrīvota kā elektromagnētiskais starojums ar frekvenci, kas atbilst enerģijas starpībai starp diviem līmeņiem.
Elektromagnētiskā starojuma biežums ir proporcionāls tā enerģijai: jo lielāka enerģija, jo augstāka frekvence. Šo sakarību apraksta Planka vienādojums: E = hf, kur E ir enerģija, f ir frekvence un h ir Planka konstante, kuras vērtība ir aptuveni 6.626 * 10-34 džouli sekundes. Viļņa garumu var aprēķināt vienkārši gaismas ātrumu dalītu ar frekvenci. Tādējādi, elektronam nokrītot no augstāka uz zemāku enerģijas līmeni, tiks izstarots elektromagnētiskais starojums ar noteiktu, fiksētu frekvenci un viļņa garumu, kas saistīts ar enerģijas starpību. Šis starojums tiek parādīts kā šauras līnijas emisijas spektrā.
Katram elementam ir raksturīgs unikāls emisijas spektrs, kas sastāv no līniju virknes noteiktos viļņu garumos. Ūdeņraža spektrālā sērija satur vairākas spektra līnijas, no kurām četras atrodas spektra redzamajā daļā. Viena no tām, sarkanā līnija, kas pazīstama kā H-alfa, tiek plaši izmantota astronomijā, lai noteiktu jonizētu ūdeņradi miglājos. Visas šīs ūdeņraža emisijas līnijas var uzskatīt par ūdeņraža līniju, taču šis termins parasti attiecas uz radio emisiju, ko rada auksta ūdeņraža gāze viļņa garumā.
no 21 centimetra. Tas ir saistīts ar atšķirīgu fizisko procesu. Tomēr joprojām ir spēkā tie paši noteikumi par enerģiju, frekvenci un viļņa garumu.
Elektroniem un protoniem ir kvantu īpašība, kas pazīstama kā “griešanās”, kurai var būt divi iespējamie virzieni. Tā kā ūdeņraža atoms sastāv no viena protona un viena elektrona, tam var būt divi spini vienā virzienā vai dažādos virzienos. Pirmajā gadījumā atomam ir nedaudz vairāk enerģijas un galu galā tas samazināsies līdz zemākas enerģijas stāvoklim, elektronam mainot savu spinu. Papildu enerģija tiek izstarota kā elektromagnētiskais starojums un, tā kā enerģijas starpība ir maza, starojumam ir garš viļņa garums un zema frekvence: attiecīgi 21 centimetrs un 1420.4 MHz. Nelielā enerģijas atšķirība nozīmē arī to, ka jebkuram konkrētam ūdeņraža atomam vienā un tajā pašā griešanās stāvoklī vidēji būs nepieciešams ļoti ilgs laiks — vairāki miljoni gadu —, lai nonāktu pretējā griešanās stāvoklī; tomēr galaktikā ir tik daudz auksta ūdeņraža, ka jebkurā brīdī pietiekami daudz ūdeņraža atomu izstaro 21 centimetru radioviļņus, lai tos varētu noteikt.
21 centimetra līniju 1951. gadā atklāja Harolds Jūens un Edvards Pērsels. Ir izrādījies, ka tai ir izšķiroša nozīme radioastronomijā. Lielu daļu mūsu galaktikas no acīm slēpj lieli putekļu mākoņi, kas neļauj zvaigžņu gaismai iziet cauri tiem. Tomēr radioviļņus netraucē putekļu mākoņi, un, tā kā galaktikā ir liels aukstā ūdeņraža daudzums, ir iespējams novērot un kartēt galaktiku, izmantojot radio emisijas ūdeņraža līnijā. Radioastronomija, izmantojot ūdeņraža līniju, ir ļāvusi mums noteikt mūsu galaktikas izmēru, formu un struktūru.
Ūdeņraža līnijai ir arī liela nozīme ārpuszemes intelekta meklēšanā (SETI). Tiek uzskatīts, ka ļoti iespējams, ka tehnoloģiski attīstīta civilizācija varētu izmantot šo frekvenci, lai mēģinātu sazināties ar citām civilizācijām. Frekvence izmantota ne tikai ienākošo ziņojumu noklausīšanai, bet arī to sūtīšanai. Kosmosa kuģos Pioneer 10 un 11, kuriem ir lemts neierobežoti dreifēt pa starpzvaigžņu telpu, ir plāksnes, kas attēlo ūdeņraža līniju, tās viļņa garumu, frekvenci un aiz tās esošo fiziku. Tā ir mērvienība, kuru, domājams, citplanētieši varētu saprast.