Atomes d'hydrogène n'ayant pas perdu leurs électrons, émettant la raie à 21 cm.L'hydrogène neutre désigne les atomes d'hydrogène qui n'ont pas été ionisés, c'est-à-dire qu'ils possèdent encore leur unique électron. En astrophysique, ce terme est presque synonyme de la raie à 21 centimètres, une longueur d'onde radio spécifique émise lorsque le spin de l'électron s'inverse par rapport à celui du proton. Cette émission est une pierre angulaire de la radioastronomie car elle permet aux scientifiques de cartographier la distribution de l'hydrogène gazeux dans l'univers, révélant la structure des galaxies, les bras spiraux de la Voie lactée, et même l'époque de la réionisation dans l'univers primordial.
La raie à 21 cm a été prédite par l'astronome néerlandais Hendrik van de Hulst en 1944 et détectée pour la première fois par Harold Ewen et Edward Purcell en 1951 à l'université Harvard.
La raie à 21 cm provient d'une transition hyperfine : le proton et l'électron d'un atome d'hydrogène possèdent des spins intrinsèques qui peuvent être alignés (parallèles) ou opposés (antiparallèles). L'état parallèle a une énergie légèrement supérieure. Lorsque l'atome bascule spontanément vers l'état antiparallèle, il émet un photon d'une longueur d'onde de 21,1 cm. Bien que cette transition soit extrêmement rare (chaque atome ne le fait en moyenne qu'une fois tous les 10 millions d'années), l'abondance de l'hydrogène dans l'espace rend le signal détectable.
Les radiotélescopes utilisent les observations à 21 cm pour cartographier la structure galactique, étudier le milieu intergalactique et sonder les âges sombres cosmiques avant la formation des premières étoiles.
En raison de son caractère fondamental, la raie à 21 cm a été proposée comme moyen de communication avec des civilisations extraterrestres, car toute espèce avancée serait susceptible de la reconnaître.
