The following article (in dutch) and redactorial note appeared in:

ZENIT

April 1993, Issue no.4, page 153-156

De ware vorm van De Melkweg

Rolf Jansen

Al eeuwen proberen mensen zich een beeld te vormen van onze Melkweg. Iedereen die wel eens omhoog gekeken heeft, kent die lichtende band van sterren aan de hemel. Vooral in zuidelijker streken is mooi te zien, dat deze band het helderst en breedst is in het sterrenbeeld Sagittarius. Maar wat is haar werkelijke vorm? Twee Amerikaanse astronomen lichtten in 1991 een nieuwe tip van de sluier op.

Al sinds er telescopen bestaan, hebben astronomen geprobeerd een beter inzicht te krijgen in de verdeling van sterren in De Melkweg. Niet alleen uit pure interesse voor De Melkweg, maar ook omdat detailonderzoek aan ons eigen melkwegstelsel de enige mogelijkheid is om de waargenomen grote-schaal -- ofwel globale -- eigenschappen van andere melkwegstelsels te interpreteren. Want alleen in De Melkweg kunnen we de processen die in melkwegstelsels spelen, zoals bijvoorbeeld stervorming en -evolutie en de verdeling van stermassa's van nabij bestuderen.

Maar helaas is dat niet zo eenvoudig. Paradoxaal genoeg juist vanwege het feit dat we zo dicht met de astronomische neus op onze Melkweg zitten, zien we er maar heel weinig van! We bevinden ons namelijk midden in de schijf van ons stelsel. Omdat die schijf behalve sterren ook gas en stof bevat, is ons uitzicht rondom te vergelijken met dat van een automobilist in dichte mist. Alleen de heldere mistlampen van de dichtstbijzijnde voorgangers zijn zichtbaar. Veel tijd en onderzoek gaat dus zitten in het vinden en bestuderen van geschikte baken-objecten (mistlampen). Als je maar genoeg geschikte bakens vindt -- zou je zo zeggen -- dan moet de vorm van De Melkweg alsnog te bepalen zijn; waar je bakens ziet is Melkweg en waar niet, niet. Net zo als bij de automobilist: waar mistlampen van je voorgangers zijn is weg en daarbuiten niet (ik ben niet aansprakelijk voor al te letterlijk opvolgen van deze regel).

Helaas, zelfs dat mag niet zo zijn. In een mistbank op aarde kun je afstand zien, maar in De Melkweg kan dat niet zomaar. Als je een klein zwak sterretje ziet, kan dat sterretje ver weg staan, maar het kan ook van zichzelf zwak zijn. Er heen gaan om te controleren kan niet. Heel veel werk is dan ook gestoken in het vinden van heldere "standaardbakens"; objecten die altijd ongeveer even veel energie uitstralen, waar ze ook staan. Dan is de waargenomen sterkte van het lichtje wèl weer een maat voor de afstand tot ons. Zulke standaardbakens zijn novae en superreuzen -- en voor melkwegstelsels buiten het onze, ook supernova-explosies -- en veranderlijke sterren, (bijvoorbeeld Cepheïden en RR-Lyrae sterren), waarvoor de periode van de helderheidsvariaties samenhangt met hun absolute magnitude (helderheid). Met behulp van deze standaardbakens zijn delen van De Melkweg redelijk in kaart gebracht.

Maar zelfs de allerhelderste bakens zijn niet helder genoeg om dwars door al het stof van de ene kant van De Melkweg helemaal naar de andere kant te schijnen. Zelfs het licht van de weinige objecten die we in het centrum van De Melkweg kunnen zien is al met meer dan 20 magnituden verzwakt.

Gelukkig zijn er stralingssoorten die minder last hebben van het stof dan licht; radiostraling bijvoorbeeld. Radiostraling van overal in De Melkweg komt ongehinderd door al het stof heen. Het is het gas dat deze straling uitzendt. Neutraal waterstofgas zendt bijvoorbeeld de beroemde 21cm-lijn uit. En ook iets kortgolviger straling, mm-straling en magnetron-straling, wordt waargenomen uit de dichtere gaswolken, waar molekulen kunnen bestaan die deze straling uitzenden. Is het probleem nu opgelost? Eh...Nee, nóg niet, maar we komen in de buurt.

Figuur 1: Differentiële rotatie in De Melkweg. Op verschillende plaatsen heeft het gas verschillende snelheden ten opzichte van ons. De grootste relatieve snelheid wordt bereikt waar de gezichtslijn raakt aan de cirkel, waarlangs het betreffende gas zich beweegt.

Radiokaarten

Hoewel je wel van overal in De Melkweg radiostraling kunt opvangen en meten, kun je niet rechtstreeks de afstand van de gaswolken bepalen. Maar een truc bedacht door Oort maakt het mogelijk om in de meeste richtingen toch afstanden te bepalen. Die truc maakt gebruik van het Doppler-effect. Dit effect houdt in dat straling, uitgezonden door een voorwerp dat zich van ons af beweegt, een iets langere golflengte krijgt en straling, uitgezonden door een naar ons toekomend voorwerp, een iets kortere golflengte. Omdat De Melkweg geen vast lichaam is, roteert gas op verschillende afstanden van het Melkwegcentrum met verschillende snelheden ten opzichte van ons; dit wordt differentiële rotatie genoemd. Kijk je dus in een bepaalde richting in het Melkwegvlak dan zul je straling ontvangen van gas met verschillende snelheden van ons af of naar ons toe (zie figuur 1). Het Doppler-effect maakt dan dat je die snelheden kunt meten.

Van andere melkwegstelsels weten we dat de rotatiesnelheid als funktie van de afstand tot hun centrum niet of nauwelijks verandert. We zeggen dat hun rotatiekromme vlak is. Als we aannemen, dat het gas in De Melkweg in cirkelbanen om het Melkwegcentrum beweegt, en dat de rotatiekromme van onze Melkweg ook vlak is, dan is -- aangezien de afstand van de zon tot het Melkwegcentrum redelijk goed bekend is -- met wat driehoeksmeetkunde de afstand tot het Melkwegcentrum van het waargenomen gas te berekenen. Deze afstand plus de richting waarin we kijken geeft dan de positie van dat gas in De Melkweg. Door nu in zoveel mogelijk richtingen in het Melkwegvlak te meten kan de gasverdeling goed in kaart gebracht worden.

Figuur 2:
21 cm radiokaart van De Melkweg. Hoe lichter de kleur, hoe meer gas. In de zwart gelaten gebieden (richting Melkwegcentrum en anticentrum) is geen afstandsbepaling mogelijk.

(Uit: Oort, Westerhout en Kerr, 1958)

Helaas is de truc van Oort niet in alle richtingen toepasbaar. De relatieve snelheid van het gas ten opzichte van ons moet namelijk voldoende variëren met de afstand. In de richting van het Melkwegcentrum (l = 0^o) en anticentrum (l = 180^o) en ook in de richtingen l = ca. 75^o en l = ca. 285^o is dit niet het geval en is kinematische afstandbepaling niet mogelijk (zie de open gelaten gebieden in figuur 2). Maar buiten deze gebieden is het waterstofgas in De Melkweg met behulp van Oort's truc en daarop gebaseerde meer ingewikkelde methoden redelijk goed in kaart gebracht. En niet alleen in 21 cm radiostraling; ook op allerlei andere golflengten zijn radiometingen verwerkt tot radiokaarten.

Afwijkingen van as-symmetrie?

Al in vroege 21cm radiometingen werd opgemerkt dat je, als je de gemeten relatieve snelheden van gaswolken in een grafiek uitzet tegen de richting waarin je kijkt, een wat grillig verloop krijgt van de uiterste snelheden. Een verklaring was snel gevonden: hoewel de rotatie in De Melkweg in eerste benadering cirkelvormig en as-symmetrisch is, hebben de gaswolken (en ook sterren) ook kleine willekeurige snelheden. [Voor alle duidelijkheid: de as-symmetrie is een symmetrie ten opzichte van een denkbeeldige as door het melkwegcentrum; niet te verwarren met asymmetrie!] Ook treden kleine verstoringen op als gevolg van de spiraalarmen van De Melkweg.

Bij differentiële cirkelrotatie en as-symmetrie verwacht je dat de maximale positieve en negatieve relatieve snelheden, als funktie van de richting in het Melkwegvlak, een sinus geven, met de maxima bij l = 90^o en l = 270^o en relatieve snelheid nul bij l = 180^o. In de snelheden van het gas in de buitenste delen van De Melkweg, waar geen spiraalstructuur meer voorkomt, worden echter nog steeds kleine systematische afwijkingen van cirkelrotatie waargenomen, welke niet verklaard kunnen worden door kleine willekeurige snelheden. Verschillende verklaringen werden bedacht. Maar deze verklaringen hadden meestal slechts betrekking op één van de waargenomen afwijkingen. Soms spraken ze elkaar zelfs tegen, terwijl ze toch afzonderlijke effecten goed beschreven. Een groot probleem was deze afzonderlijke verklaringen te verenigen tot een sluitende theorie.

Naar de smaak van de amerikaanse astronomen Blitz en Spergel was er eigenlijk helemaal geen bevredigende verklaring voor de afwijkingen. Bij het in model brengen van ons Melkwegstelsel op de in de vorige paragraaf beschreven standaard wijze worden cirkelrotatie en as-symmetrie verondersteld. En juist deze aannamen zijn volgens Blitz en Spergel niet gerechtvaardigd.

Laten we de argumenten tegen as-symmetrie eens op een rijtje zetten aan de hand van de waargenomen afwijkingen. Er zijn twee typen argumenten: kinematische argumenten (deze hebben betrekking op de waargenomen snelheden) en argumenten op grond van de ruimtelijke verdeling van gas. In de eerste categorie zijn de bezwaren:

we meten systematisch negatieve snelheden in de richting van l = 180^o in plaats van snelheid nul (zie figuur 3b);
de maximale snelheden treden op bij l = ca. 105^o en l = ca. 285^o in plaats van bij l = 90^o en l = 270^o (zie figuur 3a);
de snelheid voor een zekere richting l is niet gelijk aan die voor richting 360^o - l; de symmetrie in het snelheidsveld is verbroken.

In de tweede categorie valt het argument, dat we zo'n 20% meer gas meten in het gebied tussen l = 0^o en l = 90^o dan tussen l = 270^o en l = 0^o, en ongeveer evenveel meer tussen l = 180^o en l = 270^o dan tussen l = 90^o en l = 180^o. Anders gezegd: we meten meer gas in het eerste dan in het vierde kwadrant en meer gas in het derde dan in het tweede kwadrant.

Figuur 3:
(a) Gemeten snelheden en stralingsintensiteiten voor het gas in het Melkwegvlak als funktie van de richting. Te zien is, dat de uiterste snelheden ten opzichte van ons als funktie van de richting een sinus geven.
(b) Uitvergroot centraal deel van (a). Duidelijk is de asymmetrie van de gasverdeling in het anticentrum (l = 180^o) richting negatieve snelheden te zien. Alleen de buitenste contouren zijn weergegeven.

(Uit: Blitz en Spergel, 1991)

De Modellen

Blitz en Spergel proberen nu deze afwijkingen van symmetrie in de waarnemingen te verklaren met twee alternatieve hypotheses:

het gas in de buitengebieden van De Melkweg beweegt langs elliptische banen, terwijl de zon en de zonsomgeving netjes cirkelbaantjes trekt om het Melkwegcentrum. Deze hypothese vereist een drie-assige (dus niet bolvormige) halo van donkere materie om onze Melkweg; óf
het gas in de buitengebieden beweegt in cirkelbanen, terwijl de zon en zonsomgeving een aanzienlijke radiële component in hun snelheid hebben. Deze hypothese vereist dat het binnendeel van De Melkweg een drie-assige potentiaal heeft.

Een drie-assige binnen-potentiaal zou het gevolg kunnen zijn van een drie-assige sferoïde (een bol die in twee richtingen is afgeplat) van sterren, een balk van sterren (zoals in balkspiraalstelsels), of een spiraalarm.
Blitz en Spergel stellen een model op, waarin afwijkingen van as-symmetrie als gevolg van een zogenaamde quadrupool-term in de gravitatiepotentiaal van Onze Melkweg toegestaan zijn. Een quadrupool-term is een correctieterm, die kleine afwijkingen -- in twee richtingen -- van as-symmetrie beschrijft. Met een computerprogramma worden numeriek gasbanen berekend in deze potentiaal. Deze banen worden vervolgens geprojecteerd in een grafiek van de relatieve snelheid ten opzichte van ons (V) als funktie van richting (l), zodat de resultaten van het computerprogramma - en dus het model - direct te vergelijken zijn met figuur 3.

Het model blijkt voor hypothese 1, waarbij het buitendeel van De Melkweg drie-assig is, de waargenomen resultaten helemaal niet te kunnen reproduceren. Het model levert een sinus met een verkeerde (bijna halve) periode. Voor hypothese 2, met de niet cirkelvormige banen in de zonsomgeving, levert het model wèl de juiste sinus-periode op. Door nu de vrije parameters in het model aan te passen wordt een zo goed mogelijke overeenstemming met de waarnemingen bereikt. Voor de parameters die de beste overeenstemming geven, vinden Blitz en Spergel een radiële, naar buiten gerichte beweging voor de zon van ongeveer 14 km/sec.

De vorm van De Melkweg 2

Uit het model blijkt, dat de naar buiten gerichte snelheid voor de zon, die het beste overeenkomt met de waarnemingen, toeneemt als we de zonsbeweging vergelijken met meer en meer naar buiten gelegen gas. Daaruit volgt, dat de radiële zonsbeweging het gevolg moet zijn van een globale eigenschap van De Melkweg en niet een plaatselijk effect. De spiraalarm als oorzaak van de drie-assige potentiaal van het binnendeel van De Melkweg valt dus af. Als mogelijkheden hebben we dus nog: een drie-assige sferoïde en een balk.

Een niet-roterende drie-assige sferoïde heeft maar een klein quadrupool-moment, veel te klein om de radiële zonssnelheid van 14 km/sec te verklaren. Een langzaam roterende sferoïde, roterend met een snelheid van 40--50 km/sec in de buurt van de zon, kan dat wel heel goed. De langste as van die drie-assige sferoïde zou door het eerste en het derde kwadrant moeten lopen. Onder welke positiehoek precies is met de nu beschikbare waarnemingen nog moeilijk te zeggen. Maar binnen een ruime marge is een positiehoek van ongeveer 45^o goed mogelijk. De lange as van de sterbanen in de schijf staat hier loodrecht op.

Maar is een balk nu van de baan? Een snelroterende balk zou in zijn eentje nooit de radiële zonssnelheid kunnen veroorzaken. Maar een langzaam roterende balk, ingebed in de sferoïde en met dezelfde positiehoek en rotatiesnelheid, zou in overeenstemming zijn met de waarnemingen. Maar dit is nauwelijks een apart geval te noemen: een sferoïde met daarin zo'n balk zou je net zo goed kunnen beschrijven als een sferoïde met een nogal dicht binnendeel. Toch is er nog een mogelijkheid die een balk in het binnendeel van De Melkweg toelaat.

Deze mogelijkheid kwamen Blitz en Spergel op het spoor toen ze de infrarood waarnemingen van Matsumoto uit 1982 onderzochten. Daarin blijken de herkenningstekenen van een balk voor te komen, in de vorm van duidelijk herkenbare verstoringen van de symmetrie. Als deze balk dynamisch volledig onafhankelijk is van de drie-assige sferoïde en snel roteert, dan kan deze balk het al jaren bekende fenomeen van de zogenaamde "3 kpc expanderende arm" en de waargenomen grote snelheden in het Melkwegcentrum verklaren. De "3 kpc expanderende arm" is een structuur van gas en sterren, die zich op ongeveer 3 kpc afstand van het Melkwegcentrum bevindt en een ongewoon grote relatieve snelheid naar ons toe heeft; als een spiraalarm, die zich van het centrum afbeweegt (expandeert).

Figuur 4:
De vorm van De Melkweg schematisch weergegeven. In het centrum de drie-assige balk. Het gearceerde gebied is de drie-assige sferoïde, waarvan de lange as door het eerste en derde kwadrant loopt (positiehoek ). De banen van de zon en van een andere ster in de Melkwegschijf zijn weergegeven met de onderbroken contouren. De dunne cirkel geeft de cirkelbaan weer van gas in de buitengebieden.

Als Blitz en Spergel gelijk hebben, laten we dan eens samenvatten wat hun werk ons over de vorm van De Melkweg leert, door de verschillende componenten van De Melkweg te bekijken.

Allereerst hebben we de centrale Bulge of zoals nu blijkt de balk. Deze roteert snel en is de oorzaak van de afwijkingen van cirkelrotatie in de 3 kpc expanderende arm en het Melkwegcentrum.
Vervolgens bevat De Melkweg een drie-assige sferoïde, waarvan de langste as door het eerste en derde kwadrant loopt, loodrecht op de huidige positiehoek van de balk. De sferoïde roteert langzaam en lijkt wel wat op een klein elliptisch stelsel. De afwijkingen van cirkelrotatie van de zon en de zonsomgeving worden door deze sferoïde veroorzaakt.
Dan hebben we natuurlijk de schijf van sterren, gas en stof. Voor afstanden van 3--8 kpc tot het Melkwegcentrum hebben ster- en gasbanen een constante ellipticiteit, meer naar buiten neemt de langwerpigheid van de banen af; de buitenste gasbanen zijn vrijwel cirkelvormig. Ook heeft deze schijf een zogenaamde warp -- een verbuiging uit het platte vlak --, waarvan de oorzaak nog niet geheel duidelijk is. Volgens het model van Blitz en Spergel staat deze warp naar alle waarschijnlijkheid los van de effecten van de balk en sferoïde.
Verder wordt De Melkweg omgeven door een min of meer onafhankelijk systeem van bolvormige sterrenhopen, dat sterk geconcentreerd is naar het Melkwegcentrum toe.
En tot slot is er de donkere niet waarneembare halo. Hoewel nog onbekend is uit wat voor soort materie deze halo bestaat (zware neutrino's, exotische elementaire deeltjes, bruine dwergen of sterresten), schrijft het model voor, dat hij tot in zeer goede benadering bolvormig moet zijn.

Alle componenten zijn in grote mate onafhankelijk van elkaar wat betreft bewegingen, evolutie en orientatie. In figuur 4 is schematisch weergegeven hoe we ons volgens Blitz en Spergel De Melkweg moeten voorstellen.

De toekomst...

Een groot aantal schijnbaar tegenstrijdige waarnemingen en problemen lijken met het werk van Blitz en Spergel op een zeer elegante wijze verenigd te zijn. Maar is de grote speurtocht naar het uiterlijk van De Melkweg nu ten einde? Vast niet. De voorspellingen, die op grond van het model van Blitz en Spergel gemaakt kunnen worden, moeten door waarnemingen worden bewezen. Tot nu toe zijn er nog geen reacties in de literatuur verschenen. Het wachten is op goede waarneemgegevens. Wanneer de waarnemingen van de COBE-sateliet beschikbaar komen, zal gezocht worden naar harde fotometrische bewijzen voor de balk en de sferoïde, in plaats van de meer statistische aanwijzingen op grond waarvan Blitz en Spergel tot hun model kwamen.

Ook blijft onderzoek naar de oorzaak van de warp in de schijf van De Melkweg van groot belang. Traditioneel wordt de oorzaak van warps gezocht in drie-assige donkere halo's. Maar het model van Blitz en Spergel vereist juist een vrijwel bolvormige halo voor onze Melkweg.
Het model van Blitz en Spergel zegt ook niets over de spiraalstructuur in onze Melkweg. Het beschrijft de grote- en middelgrote-schaal structuur van De Melkweg; de structuur binnen spiraalarmen en binnen de componenten van het model vereist nog genoeg nader onderzoek.

Maar als Blitz en Spergel gelijk krijgen dan heeft De Melkweg, hoewel vele details nog in de mist om ons heen verborgen blijven, weer iets van zijn geheimen prijsgegeven. Dan is het wachten op de eerste kaarten van onze Melkweg, gebaseerd op hun model en een aangepaste versie van de truc van Oort. Tot dan.

Met dank aan prof. dr. H. van Woerden voor correcties, ideëen en tijd.

Literatuur:
Blitz en Spergel 1991, The Astroph. Journal,370, blz. 205
Blitz en Spergel 1991, The Astroph. Journal,379, blz. 631
Oort,Westerhout en Kerr 1958, M.N.R.A.S.,118, blz. 379

Ook COBE-resultaten wijzen op balk

Eddie Echternach

Tot voor kort dachten de meeste astronomen dat ons melkwegstelsel een mooi, symmetrisch spiraalstelsel is. De sterrenkundigen Blitz en Spergel (zie bijgaand artikel) waren zo'n beetje de eersten die dat idee in twijfel trokken. Veel astronomen deelden die twijfels echter niet. Daar is verandering in gekomen, nu waarnemingen met de Cosmic Background Explorer (COBE) het balkspiraal-model lijken te bevestigen.

Zoals uit het artikel van Rolf Jansen blijkt, heeft het probleem van de vorm van de Melkweg onder andere te maken met het feit dat we vanaf de aarde niet goed kunnen uitmaken of de centrale `bulge' van ons stelsel die van een gewone spiraal is of die van een balkspiraal. Blitz voorspelde echter dat àls het centrum een balk is, dit tot gevolg zou hebben dat het uiteinde dat naar ons toe wijst in het infrarood iets helderder zou zijn dan het uiteinde dat van ons af wijst.

Toen Michael Hauser van het Goddard Space Flight Center de infrarood detector (DIRBE) aan boord van de COBE-sateliet vorig jaar op het galactische centrum richtte, vond hij sterke aanwijzingen voor het bestaan van een `balk'. Uit de metingen blijkt dat het ene uiteinde van de kern inderdaad helderder is dan het andere. Het lijkt erop dat we tegen een centrale balk aan kijken die een hoek van ongeveer 45 graden met de gezichtslijn maakt!

(Science 258, 8 nov. 1992, blz. 891)

Boven: Nabij-infraroodopname van de Melkweg. De `foto' werd gemaakt met de infrarood-detector (DIRBE) aan boord van de COBE-satelliet. Duidelijk te zien zijn de dunne schijf en de centrale `bulge'. De opname is roder in richtingen waarin zich veel stof bevindt. De absorptie door het stof is dermate sterk, dat we de kern van onze Melkweg bij visuele golflengten niet kunnen waarnemen. De losse puntjes buiten het vlak van de Melkweg betreffen afzonderlijke sterren in de omgeving van de zon. (Foto: NASA/Goddard)
Onder: Hoe ziet de Melkweg er van buitenaf uit? Het begint er steeds meer op te lijken dat ons sterrenstelsel meer weg heeft van de sterrenstelsels midden en rechts (de balkspiralen M 83 ofwel NGC 5236, en NGC 1365), dan van het stelsel links (NGC 2997). (Foto's: David Malin/Anglo Australian Telescope)

Back to R.A. Jansen's homepage

Last updated: February 10, 1999