De Melkweg-bewegingen in kleur
De Melkweg-bewegingen in kleur
De LAB HI-survey in dopplerkleuren
Als we ‘s nachts omhoogkijken, zien we sterren. Samen met onze eigen ster, de zon, en haar planeten wonen we met honderden miljarden andere sterren en planeten in een sterrenstelsel: de Melkweg. We zien maar een fractie van die Melkweg. Onder goede donkere omstandigheden maar zo’n 4.000 tot 5.000 sterren. De rest blijft verborgen doordat we door een vlakke schijf kijken vol met stof en gas. Deze ‘kosmische mistbanken’ absorberen zichtbaar licht, zodat sterren achter die stofwolken onzichtbaar zijn. Maar tussen die sterren en al dat stof stroomt ook iets anders: waterstofgas. Onzichtbaar voor het oog, maar helder waarneembaar voor een radiotelescoop, zoals die in Dwingeloo. Je mag zelfs rustig zeggen dat hij hiervoor werd gebouwd. De hele ‘waterstofhemel’ werd er voor het eerst mee in kaart gebracht en gepubliceerd in de Atlas van galactisch neutraal waterstof. Zo weten we nu niet alleen dat ons sterrenstelsel een doorsnede heeft van pakweg 100.000 lichtjaren, maar ook dat alles ten opzichte van elkaar in beweging is. Met een creatieve bewerking hebben de verschillende snelheden in de historische dataset een eigen kleur gekregen. Het resultaat is een kleurenplaat die laat zien dat wij ons bevinden in een gigantische draaimolen waar we in onze eigen baan met een zekere snelheid om de kern draaien, dat sterren in de binnenbanen ons inhalen en dat we sterren in de buitenbanen achter ons laten.
Waterstofgas en 21 cm
De Leidse professor Jan Oort heeft jarenlang geprobeerd de rotatie en structuur van het Melkwegstelsel te bestuderen met optische instrumenten. Hij raakte gefrustreerd door de stofwolken in het galactische vlak (de ‘kosmische mistbanken’) die zichtbaar licht tegenhouden. Begin jaren 40 diende de radiowetenschap zich aan als veelbelovend voor de bestudering van het heelal, nadat Jansky en Reber radiostraling uit de Melkweg waarnamen. Oort gaf zijn student, Hendrik van de Hulst, de opdracht om uit te zoeken welke radiospectraallijnen er zouden kunnen bestaan en wat hun frequenties zouden zijn.
Ons melkwegstelsel zit vol met neutrale waterstof, aangeduid als HI. Waterstof is het eenvoudigste en meest voorkomende element in het heelal en domineert de interstellaire ruimte. Atomen van neutraal waterstof zenden een uiterst zwak, maar herkenbaar radiosignaal uit. In april 1944, tijdens een vergadering van de Nederlandse Astronomen Club, voorspelde Van de Hulst dat het radiosignaal een golflengte van 21 centimeter zou hebben, ofwel een frequentie van 1420,4 MHz, zo had hij berekend. Een HI-atoom wordt door zijn omgeving soms in een iets hogere energietoestand gebracht en wanneer het uiteindelijk terugvalt, zendt het precies op dat moment een 21-cm-foton uit. Dit fenomeen heet de hyperfijne overgang: de spin van het elektron keert om ten opzichte van de spin van de protonkern (Wikipedia). Die hogere energiestaat is overigens langdurig stabiel: de terugval gebeurt pas na 10 miljoen jaar of meer. Dat er evengoed een permanente 21-cm signaal kan worden waargenomen geeft een idee van hoe gigantisch de waterstofwolken zijn met ontelbare HI-atomen!
De 21 cm-lijn — in de grafiek waarin astronomen hun golflengtemetingen bekijken — werd daadwerkelijk waargenomen in 1951 door Harold Ewen en Edward Purcell aan de Harvard-universiteit. Dit werd niet gedaan met een radiotelescoop, maar met een relatief eenvoudige antenne op het dak van het natuurkundelab in Harvard, net groot genoeg om de gezamenlijke fluistering van de waterstof in onze Melkweg op te vangen (gb.nrao.edu). Kort daarop werden de waarnemingen bevestigd door Nederlandse en Australische teams (Wikipedia). Het Nederlandse team werd geleid door radio-ingenieur Lex Muller die al met Jan Oort werkte. Muller was de ingenieur-ontwerper achter de Dwingeloo-radiotelescoop en begeleidde de bouw ervan, waarmee Nederland een van de eerste grootschalige wetenschappelijke radio-astronomie-instrumenten kreeg (camras.nl). Omdat radiogolven niet worden geblokkeerd door stof in de Melkweg, zouden we hiermee ons hele sterrenstelsel in kaart kunnen brengen — zelfs daar waar optische telescopen niets zien. Zo is de 21-cm-lijn hét instrument geworden om ons sterrenstelsel te bestuderen.
Afb 1 — De HI survey in kleur (M. Meiborg, 2025) — 21 cm radio emissie van de Melkweg met dopplerkleuren, van noord- naar zuidpool en om de aarde heen. De blauwe delen bewegen naar ons toe, de rode gaan van ons af. Inzet linksboven: de originele data
Grootschalig hemelonderzoek
In de jaren ’90 werd met de Dwingeloo Radiotelescoop het eerste grote, systematische hemelonderzoek van de 21-cm-lijn uitgevoerd. De Nederlander Dap Hartmann en zijn team deden daarvoor bijna zes jaar lang de waarnemingen. De Leiden/Dwingeloo Survey (LDS) — gepubliceerd door Hartmann & Burton — bracht de neutrale waterstof van de hemel in kaart met hoge gevoeligheid en precisie op een stukje in het zuiden na, wat je vanuit Dwingeloo nooit ziet ook al draait de aarde om haar as. (arXiv).
Later, rond 2000–2005, werd dit uitgebreid met metingen uit het vanuit het zuiden, uitgevoerd aan de Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR), wat resulteerde in de samengestelde Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Survey. De gegevens van beide telescopen zijn gecombineerd en gecorrigeerd voor storende reflecties; het resultaat is een complete all-sky kaart van de HI-emissie met uitstekende informatie over de snelheid waarmee waterstof op verschillende snelheden ten opzichte van ons beweegt. (arXiv). Afbeelding 1 toont de LAB-data met snelheidsafhankelijke kleuren.
Spiraalstructuur en doppler-snelheden
Waarom is die HI-kaart zo belangrijk? Omdat de radiolijn niet alleen vertelt waar de waterstof zich bevindt, maar óók hoe snel het beweegt. Door de zwaartekracht van het sterrenstelsel draait de gaswolk rond het galactische centrum en vanuit onze positie zien we delen van dat gas naar ons toe of van ons af bewegen. De golflengte van 21 cm wordt iets korter of langer, al naar gelang het gas zich naar ons toe of van ons af beweegt (Argelander-Institut für Astronomie). Dit is het zogenaamde dopplereffect. We kennen het dopplereffect van een ambulance; wanneer die op ons afkomt klinkt de sirene hoger (kortere golflengte) dan wanneer hij voorbij is (langere golflengte). Voor radiogolven geldt hetzelfde. Zichtbaar licht bestaat ook uit radiogolven; wanneer de golflengte van licht korter wordt zien we een kleurverschuiving naar blauw; wordt de golflengte langer dan is er een verschuiving naar rood. Met het blote oog kunnen we de HI-frequentie en de verschuiving niet zien, maar het principe van blauw komt op ons af en rood gaat van ons af is gebruikt om de waterstofbeweging te visualiseren.
Jan Oort en collega’s gebruikten de snelheidsinformatie in de jaren ’50 om voor het eerst de rotatie van de Melkweg af te leiden en daarmee ook de spiraalstructuur van ons sterrenstelsel in kaart te brengen — iets wat met optische telescopen onmogelijk was door flinke stofwolken in de melkwegschijf (Wikipedia).
Afbeelding 2 —De ingekleurde kaart laat vier dominante snelheidsgebieden zien (links: 3, 4, 1 en 2) die doorgerekend konden worden naar 4 snelheidskwadranten om ons heen (rood cirkeltje in rechter afbeelding). Uit die berekeningen volgde ook dat de HI-wolken zich concentreren in spiraalarmen.
Uit de berekeningen volgde dat het gas overal met ongeveer dezelfde snelheid rondom de kern draait, zo’n 220 km per seconde. Dat betekent dat gas dichter bij de kern in kortere tijd een rondje maakt dan gas aan de buitenkant van de Melkweg omdat de afstand kleiner is. Zo is het ook met onze planeten, Mercurius draait in 88 dagen rond de zon, met de aarde doen we er precies één jaar over (daarom is een jaar een jaar) en Saturnus bijvoorbeeld 29,5 jaar. Met betrekking tot de Melkweg betekent dit dat we door het gas tussen ons en de kern worden ingehaald, en dat we afstand nemen van gas in de banen buiten ons. Dat verklaart waarom we in het galactisch vlak vier dominante snelheidsgebieden om ons heen zien. Daar waar we door de binnenringen worden ingehaald, nemen we afstand in de buitenringen en omgekeerd: aan beide kanten twee snelheidsgebieden. Daarbij, omdat gas dichter bij de kern van de Melkweg met eenzelfde snelheid minder afstand hoeft af te leggen om een rondje te maken en dus meer rondjes maakt in dezelfde tijd, is er een verklaring voor de spiraalstructuur! Zie afbeelding 2.
Om de resultaten van die HI-onderzoeken in perspectief te zetten: de doorsnede van de Melkweg is ongeveer 100.000 lichtjaren. De baan van ons zonnestelsel, inclusief de negen planeten, is op ongeveer 26.000 lichtjaren van de Melkwegkern. Met 220 km/s, oftewel ca. 800.000 km/u, duurt het ongeveer 230 miljoen jaar om een keer om de kern te draaien. Sinds haar ontstaan is de zon ongeveer 20 keer rond de kern gedraaid (4,6 miljard jaar ÷ 230 miljoen jaar ≈ 20 x). Met een snelheid van 220 km/sec doen we er ongeveer 1.400 jaar over om de afstand van een lichtjaar af te leggen. In 1.400 jaar leggen we ongeveer 0,00219° van de 360° rond de kern af. 0,00219° en 1.400 jaar terug, in het jaar 600, gebeurde er niet veel wetenschappelijks in Europa. Het zou nog 150 jaar duren voordat Karel de Grote werd geboren. Wel schreef al een Indiase astronoom, Aryabhata (476–550) dat de Aarde zelf draait — een waarheid die pas duizend jaar later in Europa gemeengoed zou worden door het werk van o.a. Nicolaas Copernicus (1473-1543) en Galileo Galilei (1564–1642) die het zogenaamde heliocentrische model verdedigden: dat niet de aarde maar de zon het centrum van de hemel is (even daargelaten dat ze nog niet konden weten dat onze zon ook niet bepaald ‘het centrum van alles’ is). Het leverde Galilei in 1633 evengoed nog wel een veroordeling op tot levenslang huisarrest.
Van een datacube naar een doppler-kleurenbeeld
Je kan de Dwingeloo Radiotelescoop beschouwen als een camera met 1 pixel. Die pixel bestrijkt ongeveer een halve graad van de hemel. Een cirkel is 360 graden, dat betekent 720 pixels (360° ÷ 0,5°) voor 1x om de as, oftewel de breedte van de hemelkaart (lengtegraad gek genoeg). Van noord naar zuid is 180°, gedeeld door 0,5 geeft 360 pixels (breedtegraad dus). Een hemelkaart door de Dwingeloo Radiotelescoop is dus een afbeelding van 720 x 360 pixels. Het resultaat van de LAB survey was echter niet één enkele afbeelding van 720 x 360, maar een zogenaamde datacube, een dataset met een derde dimensie. Bij het onderzoek werd het 21cm-signaal namelijk per pixel opgesplitst in verschillende frequenties die werden omgerekend naar een snelheid, in stapjes van ongeveer 1 km/s. Die snelheden gaan van -450 km/sec (op ons af) naar +450 km/sec (van ons af). In stapjes van 1 km/sec komt dat dus neer op 900 snelheden per pixel. Die 900 verschillende snelheden maken de derde dimensie van de dataset. In feite bevat die dataset 900 afbeeldingen van 720 x 360 pixels voor iedere snelheid tussen -450 en +450 km/sec en zo is te zien hoeveel waterstofgas er is bij elke door het dopplereffect verschoven frequentie. Zo kon de LAB-dataset worden gebruikt om een bijzondere hemelkaart te maken met een kleurcodering van de HI-dopplersnelheden.
Van de 900 lagen zijn ongeveer 600 lagen, met snelheden van -250 tot +372 km/sec gebruikt, de resterende 300 lagen zouden vooral ruis toevoegen. Die 600 lagen zijn gekleurd naar snelheid (van blauw voor naar ons toe door het hele kleurenspectrum heen naar rood voor van ons af). Daarna zijn ze op zo’n manier samengevoegd dat de dominante snelheden ‘bovenop’ kwamen te liggen. De samengestelde afbeelding is vergelijkbaar met een Photoshop-bestand van 600 lagen. Op de plekken waar weinig of geen gas is, zijn de lagen meer of minder transparant. Daardoor blijven de achterliggende lagen zichtbaar. Het eindresultaat heeft diezelfde eigenschap (meer of minder transparant waar geen of weinig gas is) en kan daarom gecombineerd worden met andere hemelafbeeldingen. Van deze kleur-transparantie-combinatie is een RGBA HiPS-set gemaakt, een hiërarchische sky-projectie die is gepubliceerd door de Strasbourg astronomical Data Center (CDS) en daardoor in astronomietools als Aladin en Stellarium kan worden geladen als overlay. Zo kun je HI-snelheidsstructuren bekijken én over zowel optische als radiowaarnemingen heen leggen en vergelijken. Zie afbeelding 3.
Het resultaat: een totaalbeeld van waar het waterstof is én hoe het beweegt — de dynamiek van de Melkweg zichtbaar in kleur en te combineren met andere surveys.
Afbeelding 3 — Voorbeeld van de HiPS overlay in Aladin
Stellarium en realtime metingen met de Dwingeloo-telescoop
Stellarium is een kosteloos, open-source planetariumprogramma dat de echte hemel in realtime op je scherm laat zien, of van een datum en tijd naar keuze. Het is als het ware een venster op het universum met een ingebouwde tijdmachine, beschikbaar voor iedereen die in astronomie is geïnteresseerd. Bij CAMRAS is Stellarium gekoppeld aan de besturing van de radiotelescoop en daarmee ook aan de HiPS-dataset met dopplerkleuren. Zo kan je zien:
- waar de telescoop op dat moment naar kijkt,
- welke dopplerkleur/snelheid in die kijkrichting dominant is,
- en welke HI-frequenties op dat moment live zijn te zien .
Je ziet dus een visualisatie van de data van toen in combinatie met de actuele waarneming. Zie afbeelding 4. In de afgelopen 20-30 jaar zijn de veranderingen van waarden praktisch verwaarloosbaar: we zijn immers nog maar 0.000047° (1/500.000ste graad) opgeschoven. De directe koppeling tussen waarneming en visuele context van de HI-kaart met dopplerkleuren maakt het voor vrijwilligers en bezoekers van de radiotelescoop heel toegankelijk om radioastronomie te begrijpen.
Waarom dit fascinerend is
De combinatie van een klassieke all-sky dataset met moderne visualisaties laat de dynamiek van onze Melkweg zien. Je ziet niet alleen de structuur — de spiraalarmen en het HI-gas — maar ook de beweging ervan. Door kleur toe te voegen, gebaseerd op dopplereffect bij zichtbaar licht, krijgt de HI-kaart een derde dimensie: tijd en beweging worden visueel.
Voor iedereen die in radioastronomie is geïnteresseerd, opent dit een nieuwe manier van kijken — een die boeiend is om te zien en ook nog echte wetenschappelijke informatie bevat.
Verder lezen…
Wikipedia — Hydrogen line
arXiv — The Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Survey of Galactic HI. Final data release of the combined LDS and IAR surveys with improved stray-radiation corrections.
Argelander-Institut für Astronomie — Milky Way rotation – from 21cm line profiles 1 december 2011 — The hyperfine splitting of the ground state 2S is the source of the 21 cm hydrogen line. Frequency 1420.40575177 MHz. Page 8. 8. Properties of the HI 21-cm line.
Wikipedia — Jan Oort
universiteitleiden.nl — The Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Survey of Galactic HI by PMW Kalberla · 2005 · — The LAB Survey is the most sensitive Milky Way H i survey to date, with the most extensive coverage both spatially and kinematically.
omp.eu — Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Galactic HI survey 27 Nov 2023 — Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Galactic HI survey. This survey correspond to 21-cm emission from Galactic neutral hydrogen over the entire sky.
harvard.edu —VizieR Online Data Catalog: Leiden/Argentine/Bonn (LAB) by PMW Kalberla · 2005 — The LAB survey contains the final data release of observations of 21-cm emission from Galactic neutral hydrogen over the entire sky,,,
harvard.edu — The Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Survey of Galactic HI. … by PMW Kalberla · 2005 — We present the final data release of observations of λ21-cm emission from Galactic neutral hydrogen over the entire sky,,,
camras.nl — With the 21 cm hydrogen line from Kootwijk to Dwingeloo 28 Feb 2021 — This year marks the 70th anniversary since the 21 cm hydrogen line was first observed. American astronomers from Harvard were the first.
unlp.edu.ar The Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Survey of Galactic HI – SEDICI by PMW Kalberla · 2005 — The LAB Survey is the most sensitive Milky Way H survey to date, with the most extensive coverage both spatially and kinematically.
nasa.gov — Foreground: LAB Survey. The LAB survey contains the final data release of observations of 21-cm emission from Galactic neutral hydrogen over the entire sky.Read more
arxiv.org — The Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Survey of Galactic HI by PMW Kalberla · 2005 — The merged and refined material entering the LAB Survey of Galactic Hi is intended to be a general resource useful to a wide range of studies…
researchgate.net — The Leiden/Dwingeloo and Villa-Elisa All-Sky Galactic HI. 28 Oct 2015 — The Leiden/Dwingeloo survey of Galactic Neutral Hydrogen was published in 1997 (Hartmann & Burton 1997).
researchgate.net — Leiden/Argentine/Bonn (LAB) Survey of Galactic HI . The LAB survey contains the final data release of observations of 21-cm emission from Galactic neutral hydrogen over the entire sky.
uni-kiel.de — HI surveys of the Milky Way This tool shows the results from several surveys of galactic hydrogen, at the radio line of atomic hydrogen at 21 cm wavelength.
academia.edu — (PDF) HI shells in the Leiden-Dwingeloo HI survey. An algorithm of an automatic search for HI shells is presented and results of identifications in the Leiden-Dwingeloo HI survey.
icrar.org — Astrophysicists map the Milky Way. 20 Oct 2016 — Scientists have created a detailed map of the Milky Way using two of the world’s largest fully steerable radio telescopes in Germany and Australia.
youtube.com — A new all-sky survey of neutral hydrogen. This animation shows the HI 21-cm line emission of neutral atomic hydrogen of the Milky Way galaxy…
