ガス分子の励起に関連して、衝突と電磁波の放射とのどちらが優勢になるかの境に当たる密度のこと。電波領域での熱的輝線の場合、宇宙空間では衝突による励起と電磁波の自発放射を伴う遷移との競争過程になっていると考えられる。このため、衝突励起の頻度が十分に高くないと励起が不十分で、輝線は事実上、観測されない。 そこで、自発放射の頻度を表すアインシュタイン係数のA係数と等しい衝突係数を与える密度を、この場合の臨界密度と呼ぶ。衝突係数は衝突する分子の熱運動に対応する温度の関数でもあるため、臨界密度もまた、温度の関数となる。
一方、可視光領域などで見られる禁制線では、遷移確率が低いため、ガス密度が高いと衝突脱励起が卓越し、輝線が事実上、観測されない。この境に当たる密度も臨界密度と呼ばれることがある。