HI 21cm lijn




De Melkweg is gevuld met een zeer diffuse verdeling van neutraal waterstofgas,
met een typische dichtheid van ongeveer

     1    atoom/cm3                 =             10-24 g/cm3

en een typische temperatuur van

     100 K

Dit interstellaire neutrale waterstofgas is veel te koel om de UV of optische overgangen van het waterstofatomen aan te slaan. Er is echter een atomaire overgang op de radiogolflengten van 21 cm die onder interstellaire omstandigheden wel herhaaldelijk optreedt. Hierdoor wordt HI zichtbaar in het radio golflengtegebied.

De betreffende overgang van neutrale waterstofatomen op een golflengte en frequentie van

        21.1 cm                  =             1420.406 MHz









Het grondniveau n=1 van HI, waarin zich bij een T=100 K vrijwel alle atomen zich bevinden, is gesplitst in twee niveaus die zeer dicht bij elkaar liggen, het betreffende energieniveau is zeer gering. Deze hyperfijne niveauverschillen zijn terug te voeren magnetische moment van het proton en het electron in het waterstofatoom:

Het magnetische moment is een gevolg van de intrinsieke spin van zowel het proton als het electron. Ieder bewegende lading geeft aanleiding tot een magnetisch veld. Doordat het proton en het electron lading hebben genereert hun spinbeweging een dipolair magnetisch veld, die we dus aanduiden met de term magnetische moment . Het magnetische moment van een spinnend deeltje wordt gerepresenteerd door een vector, wiens richting en amplitude bepaald worden door het vector impulsmoment van het deeltje.

In de grondtoestand van het waterstofatoom kunnen er bijgevolg 2 configuraties bestaan (zie figuur boven). In de eerste configuratie staan de magnetisch-moment vectoren van het electron en het proton parallel. In de tweede configuratie staan ze in tegenovergestelde, anti-parallel, richting. Net zoals twee parallelle staafmagneten elkaar afstoten, zo zullen de parallel gerichte electronen en protonen minder aan elkaar zijn gebonden en dus een iets hogere energietoestand van het waterstofatoom vertegenwoordigen. Daartegenover zal de antiparallel gerichte toestand een lagere magnetische energie vertengwoordigen, zodat het electron en proton dan in een iets hechter gebonden onderlinge baan hebben.


The 21cm hyperfine transition of neutral hydrogen

Door het energieverschil van de twee configuraties is dus de grondtoestand van het atoom gesplitst in twee dichtbij elkaar gelegen niveaus, de hyperfijn splitsing. Het energieverschil correspondeert met een golflengte van 21.1 cm, een frequentie van 1420.406 MHz.



Een spontane overgang van de hogere hyperfijn toestand naar de lagere toestand, waarbij we een spin-flip van de hogere parallel toestand naar de anti-parallel toestand zien tezamen met de uitzending van een foton met frequentie van 1420.406 MHz. Omdat deze overgang, door quantum wetmatigheden, een sterk verboden overgang vertegenwoordigt, vindt hij slecht zeer zelden plaats, eenmaal in de 30 miljoen jaar !

In de interstellaire ruimte is de voornaamste oorzaak van het aanslaan van een waterstofatoom botsingen met andere waterstofatomen. Door deze botsingen wisselen ze in het algemeen een electron uit, wat tevens kan leiden tot een verandering van hyperfijn toestand. Als het nieuwe electron dezelfde spinorientatie heeft als de oude verandert er niets, anders is een verandering van niveau. Zo'n botsing kan dus leiden tot geen verandering , excitatie of de-excitatie . Netto treedt er verandering van richting eens in de 400 jaar plaats.

In de lange transitietijd van de aangeslagen hyperfijn toestand vinden er dus vele botsingen met excitatie en de-excitatie plaats. Uiteindelijk treedt er een evenwicht van parallel-antiparallel op van 3:1.

Door de enorme afstanden in de interstellaire ruimte, typisch in de orde van een kiloparsec, kan men ondanks de uitzonderlijk lage dichtheden toch genoeg overgangen langs een gezichtslijn zien om een detecteerbare 21cm spectraallijn met een radiotelescoop te kunnen waarnemen (zie bovenste afbeelding).



Deze uiterst belangrijke voorspelling werd in 1944 door H. van der Hulst gedaan, op instignatie van zijn promotor, J.H. Oort. Omdat de Melkweg transparant is op het radio golflengtegebied was dit een doorbraak in het onderzoek naar de structuur en kinematica van de Melkweg. Meer nog, plotseling werd het meest voorkomende atoom in de kosmos zichtbaar gemaakt. Belangrijk was dat het mogelijk de verdeling en bewegingen van neutraal waterstof te onderzoeken door de gehele schijf van de Melkweg heen.


J.H. Oort and H.C. van de Hulst (1964)

De daadwerkelijke detectie van de HI 21cm lijn volgde in 1951. Met behulp van een Duitse radarschotel uit Kootwijk en een aangepaste ontvanger wisten Muller en Oort de 21cm lijn emissie te detecteren. Door pech met de schotel (brand) volgden zij hiermee enkele maanden na de eerste detectie door Ewen & Purcell (1951). De Amerikaanse en Nederlandse resultaten werden gepubliceerd in dezelfde aflevering van Nature:

     Ewen and Purcell, Nature v.168, p.356, 1951;
     and Muller and Oort, Nature v.168, p.357, 1951




Referenties:

Interstellaire Materie