ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์
ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่น เนื่องจากความสัมพัทธ์ระหว่างทิศทางการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดกับผู้สังเกตการณ์ ขณะที่แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เข้าหา ผู้สังเกตการณ์จะสังเกตเห็นความยาวคลื่นสั้นลง (ความถี่สูงขึ้น) และเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ออก ผู้สังเกตการณ์จะสังเกตเห็นความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น (ความถี่ต่ำลง) ตัวอย่างเช่น เมื่อรถตำรวจเปิดไซเรนวิ่งเข้ามาหาเรา เราจะได้ยินเสียงไซเรนสูงขึ้น และเมื่อรถคันนั้นเคลื่อนที่ผ่านเราออกไป ก็จะได้ยินเสียงไซเรนต่ำลง
เมื่อวัตถุเคลื่อนที่จากตำแหน่งที่ 1 ไปยังตำแหน่งที่ 4 ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ด้านซ้ายมือจะมองเห็นวัตถุจะมีความยาวคลื่นสั้นลง ส่วนผู้สังเกตที่อยู่ด้านขวามือจะมองเห็นวัตถุมีความยาวคลื่นมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ดอปเลอร์จะมีผลเฉพาะเมื่อวัตถุเคลื่อนที่เข้าและออกจากผู้สังเกตการณ์ในแนวสายตาเท่านั้น หากวัตถุเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับแนวสายตาของผู้สังเกตการณ์ ก็จะไม่มีผลใดๆ ทั้งสิ้น
เราเรียกปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตการณ์แล้วความยาวคลื่นสั้นลงว่า การเลื่อนทางน้ำเงิน (Blueshift) และเรียกปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตการณ์แล้วความยาวคลื่นจะมากขึ้นว่า การเลื่อนทางแดง (Redshift) คริสเตียน ด็อปเปลอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรีย ได้ค้นพบหลักการนี้ในปี ค.ศ.1842 และเขียนเป็นสมการว่า
Δλ /λo = v/c
โดยที่ Δλ = ความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลง
λo = ความยาวคลื่นขณะที่วัตถุหยุดอยู่กับที่
v = ความเร็วที่วัตถุเคลื่อนที่ในแนวสายตา (Radial velocity)
c = ความเร็วแสง 300,000 กิโลเมตร/วินาที
ตัวอย่างที่ 1: ปกติเส้น H-alpha เกิดขึ้นที่ความยาวคลื่น 656.255 nm แต่เส้น H-alpha ในสเปกตรัมของดาวเวกา อยู่ที่ความยาวคลื่น 658.255 nm แสดงเกิดปรากฏการณ์เลื่อนทางแดงหรือเลื่อนทางน้ำเงิน ดาวเวกาเคลื่อนที่ในแนวสายตาด้วยความเร็วเท่าไร
Δλ = λ – λo = 656.255 – 656.285 = -0.030 nm
v = c (Δλ / λo) = 300,000 km/s (-0.03 nm / 656.286 nm) = -13.7 km/s
ผลลัพท์ที่ได้เป็นค่าลบ แสดงว่า ดาวเวกากำลังเคลื่อนที่เข้าหาโลกโดยมีความเร็วเรเดียน 13.7 km/s
นักดาราศาสตร์ใช้ปรากฏการณ์ดอปเลอร์ ศึกษาวัตถุในห้วงอวกาศได้หลายประการ ได้แก่
ระบบดาวคู่ (Binary system): มีดาวฤกษ์โคจรรอบกันและกัน โดยมีจุดศูนย์กลางมวลร่วม (Center of mass) ในภาพที่ 2 แสดงดาว A มีเส้นดูดกลืนคู่บาง ดาว B มีเส้นดูดกลืนคู่หนา เมื่อดาวโคจรในทิศที่เข้าหาโลก เส้นดูดกลืนจะเลื่อนทางน้ำเงิน (ไปทางซ้ายมือ) เมื่อดาวโคจรในทิศที่ออกจากโลก เส้นดูดกลืนจะเลื่อนทางแดง (ไปทางขวามือ) แต่ขณะที่ดาวเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับแนวสายตาจากโลก เส้นดูดกลืนก็จะไม่มีเคลื่อนที่
การเลื่อนทางน้ำเงินและการเลื่อนทางแดงของดาวคู่
การหมุนรอบตัวของดาวเคราะห์:สเปกตรัมที่ได้จากดาวเคราะห์ในซีกที่หมุนเข้าหาโลกเกิดการเลื่อนทางน้ำเงิน ส่วนสเปกตรัมที่ได้จากซีกที่หมุนออกจากโลกเกิดการเลื่อนทางแดง
การค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ: (Exoplanet) ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ มีความสว่างน้อยมากจนมองไม่สามารถมองเห็นจากโลก อย่างไรก็ตามอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวทั้งสองโคจรรอบกันและกันโดยมีจุดศูนย์กลางมวลร่วม ซึ่งทำให้ดาวฤกษ์มีอาการส่ายไปมา (wobble) ดังที่แสดงในภาพที่ 3 ซึ่งนักดาราศาสตร์สังเกตได้โดยการวิเคราะห์สเปกตรัม
การค้นหาดาวเคราะห์ระบบสุริยะอื่น
การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ในทางช้างเผือก: นักดาราศาสตร์ศึกษาทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ ในแขนกังหันของกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยพิจารณาการเลื่อนทางแดงหรือการเลื่อนทางน้ำเงินของดาวแต่ละดวง
การเคลื่อนที่ของกาแล็กซี: นักดาราศาสตร์ศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี โดยการวิเคราะห์สเปกตรัมของกาแล็กซี และพบว่า กาแล็กซีแอนโดรเมดากำลังเคลื่อนที่เข้าหากาแล็กซีทางช้างเผือก
การขยายตัวของเอกภพ กระจุกกาแล็กซีกำลังเคลื่อนที่ห่างจากโลกในทุกทิศทาง กระจุกกาแล็กซียิ่งอยู่ห่างไกล ยิ่งมีค่าการเลื่อนแดงที่สูง เป็นหลักฐานยืนยันว่า เอกภพกำลังขยายตัว แสดงให้เห็น การเลื่อนทางแดงบนสเปกตรัมของกระจุกกาแล็กซีแห่งหนึ่ง เส้นไฮโดรเจนอัลฟา (H) ซึ่งปกติอยู่ที่ความยาวคลื่น 653 nm ในช่วงแสงที่ตามองเห็น กลับเลื่อนไปอยู่ที่ความยาวคลื่น 760 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ในช่วงรังสีอินฟราเรด
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นนี้เราสามารถแบ่งได้เป็น 5 กรณี คือ
- กรณีแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ปรากฏแก่ผู้สังเกตที่หยุดนิ่งจะได้ยินเสียงมีความถี่สูงขึ้นกว่าความถี่เสียงปกติของแหล่งกำเนิดเสียง และความยาวคลื่นสั้นลง
- กรณีแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตที่หยุดนิ่งในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะมีความถี่ต่ำลงกว่าเดิมแต่ความยาวคลื่นจะยาวขึ้น
- กรณีผู้สังเกตเคลื่อนที่เข้าหาแหล่งกำเนิดเสียงที่หยุดนิ่งในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะสูงกว่าเดิม
- กรณีผู้สังเกตเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดเสียงที่หยุดนิ่งในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะต่ำลงกว่าเดิม แต่ความยาวคลื่นเสียงเท่าเดิม5. กรณีแหล่งกำเนิดและผู้สังเกตต่างเคลื่อนที่ ซึ่งอาจแบ่งได้เป็น ต่างเคลื่อนที่เข้าหากัน หรือเคลื่อนที่แยกออกจากกัน หรือเคลื่อนที่ตามกัน สังเกตจากถ้าเวลาผ่านไปแล้วแหล่งกำเนิดเสียงกับผู้สังเกตมีระยะห่างกันน้อยลง แสดงว่าผู้ฟังจะได้ยินเสียงมีความถี่สูงขึ้น ส่วนเมื่อเวลาผ่านไประยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงกับผู้สังเกต มีระยะห่างกันมากขึ้น แสดงว่าผู้ฟังได้ยินเสียงมีความถี่เสียงต่ำลง
การคำนวณเกี่ยวกับปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง มีอยู่ 2 แบบ
- การหาความยาวคลื่นเสียงด้านหน้า และด้านหลังแหล่งกำเนิดสียง
1.1 ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงอยู่นิ่ง ความยาวคลื่นทุกด้านเท่ากัน หาความยาวคลื่นเสียงตามปกติ
1.2 หาความยาวคลื่นที่ปรากฏด้านหน้าแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังเคลื่อนที่ จะได้ความยาวคลื่นสั้นลง
หมายเหตุ จากสมการ ความยาวคลื่นด้านหน้าและด้านหลังแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังเคลื่อนที่ ไม่เกี่ยวข้องกับผู้สังเกตซึ่งอยู่ด้านหน้าและหลังแหล่งกำเนิดเลย ไม่ว่าผู้สังเกตจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่อย่างไรก็ตาม
- หาความถี่เสียงปรากฏต่อผู้ฟัง ขณะเกิดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง
จากการศึกษาที่ผ่านมาสรุปว่า การที่ผู้สังเกตจะได้ยินเสียงที่ปรากฏว่ามีความถี่เสียงสูงขึ้น หรือต่ำลงกว่าปกตินั้น ให้สังเกตว่า ถ้าเกิดการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดและผู้สังเกต สัมพัทธ์แบบทำให้ระยะห่างระหว่างกันลดลงเรื่อยๆ เป็นลักษณะการเข้าหา ผู้สังเกตุจะได้ยินเสียงที่มีความถี่สูงกว่าปกติ ส่วนในทางตรงกันข้าม เกิดการสัมพัทธ์ที่ระยะห่างระหว่างผู้ฟังกับแหล่งกำเนิดเสียงเพิ่มมากขึ้น เป็นลักษณะการออกจากกัน ผู้สังเกตุจะได้ยินเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าปกติ สมการคำนวณคือ
- คลื่นกระแทก ( shock wave )
คลื่นกระแทก คือ ปรากฏการณ์ที่หน้าคลื่นเคลื่อนที่มาเสริมกันในลักษณะที่เป็นหน้าคลื่นวงกลมซ้อนเรียงกันไป โดยที่มีแนวหน้าคลื่นที่มาเสริมกันมีลักษณะเป็นรูปตัวVอันเนื่องมาจากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วของคลื่นในตัวกลาง(Vs>V) เช่นคลื่นกระแทกของคลื่นที่ผิวน้ำขณะที่เรือกำลังวิ่ง หรือคลื่นเสียงก็เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินบินเร็วกว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศ
