ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่น เนื่องจากความสัมพัทธ์ระหว่างทิศทางการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดกับผู้สังเกตการณ์ ขณะที่แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เข้าหา ผู้สังเกตการณ์จะสังเกตเห็นความยาวคลื่นสั้นลง (ความถี่สูงขึ้น) และเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ออก ผู้สังเกตการณ์จะสังเกตเห็นความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น (ความถี่ต่ำลง) ตัวอย่างเช่น เมื่อรถตำรวจเปิดไซเรนวิ่งเข้ามาหาเรา เราจะได้ยินเสียงไซเรนสูงขึ้น และเมื่อรถคันนั้นเคลื่อนที่ผ่านเราออกไป ก็จะได้ยินเสียงไซเรนต่ำลง

ภาพที่ 1 ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์

พิจารณาภาพที่ 1  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
  
  ภาพที่ 2 การเลื่อนทางน้ำเงินและการเลื่อนทางแดงของดาวคู่

   

• การหมุนรอบตัวของดาวเคราะห์:สเปกตรัมที่ได้จากดาวเคราะห์ในซีกที่หมุนเข้าหาโลกเกิดการเลื่อนทางน้ำเงิน  ส่วนสเปกตรัมที่ได้จากซีกที่หมุนออกจากโลกเกิดการเลื่อนทางแดง

• การค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ: (Exoplanet)  ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ มีความสว่างน้อยมากจนมองไม่สามารถมองเห็นจากโลก  อย่างไรก็ตามอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวทั้งสองโคจรรอบกันและกันโดยมีจุดศูนย์กลางมวลร่วม ซึ่งทำให้ดาวฤกษ์มีอาการส่ายไปมา (wobble) ดังที่แสดงในภาพที่ 3 ซึ่งนักดาราศาสตร์สังเกตได้โดยการวิเคราะห์สเปกตรัม
  
  ภาพที่ 3 การค้นหาดาวเคราะห์ระบบสุริยะอื่น

   

• การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ในทางช้างเผือก: นักดาราศาสตร์ศึกษาทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ ในแขนกังหันของกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยพิจารณาการเลื่อนทางแดงหรือการเลื่อนทางน้ำเงินของดาวแต่ละดวง

• การเคลื่อนที่ของกาแล็กซี: นักดาราศาสตร์ศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี โดยการวิเคราะห์สเปกตรัมของกาแล็กซี และพบว่า กาแล็กซีแอนโดรเมดากำลังเคลื่อนที่เข้าหากาแล็กซีทางช้างเผือก

• การขยายตัวของเอกภพ กระจุกกาแล็กซีกำลังเคลื่อนที่ห่างจากโลกในทุกทิศทาง  กระจุกกาแล็กซียิ่งอยู่ห่างไกล ยิ่งมีค่าการเลื่อนแดงที่สูง เป็นหลักฐานยืนยันว่า เอกภพกำลังขยายตัว ภาพที่ 4 แสดงให้เห็น การเลื่อนทางแดงบนสเปกตรัมของกระจุกกาแล็กซีแห่งหนึ่ง  เส้นไฮโดรเจนอัลฟา (H) ซึ่งปกติอยู่ที่ความยาวคลื่น 653 nm ในช่วงแสงที่ตามองเห็น กลับเลื่อนไปอยู่ที่ความยาวคลื่น 760 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ในช่วงรังสีอินฟราเรด
  
  ภาพที่ 4 การเลื่อนทางแดงของสเปกตรัมของกาแล็กซี