ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ 

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

พิจารณาภาพที่ 1  เมื่อวัตถุเคลื่อนที่จากตำแหน่งที่ 1 ไปยังตำแหน่งที่ 4 ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ด้านซ้ายมือจะมองเห็นวัตถุมีความยาวคลื่นลดลง ขณะที่ผู้สังเกตที่อยู่ด้านขวามือจะมองเห็นวัตถุมีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น  อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์ดอปเปลอร์จะมีผลเฉพาะเมื่อวัตถุเคลื่อนที่เข้าและออกจากผู้สังเกตการณ์ในแนวสายตาเท่านั้น หากวัตถุเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับแนวสายตาของผู้สังเกตการณ์ จะไม่ส่งผลใดๆ ทั้งสิ้น 

เราเรียกปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตการณ์แล้วความยาวคลื่นลดลงว่า การเลื่อนทางน้ำเงิน  (Blueshift) และเรียกปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตการณ์แล้วความยาวคลื่นเพิ่มขึ้นว่า 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 ในสเปกตรัมของดาวเวกาอยู่ที่ความยาวคลื่น 656.255 nm  อยากทราบว่าเกิดปรากฏการณ์เลื่อนทางแดงหรือเลื่อนทางน้ำเงิน 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): ดาวฤกษ์โคจรรอบกันและกันโดยมีจุดศูนย์กลางมวลร่วม (Center of mass) ดังแสดงในภาพที่ 2 แสดงดาว A มีเส้นดูดกลืนคู่บาง  ดาว B มีเส้นดูดกลืนคู่หนา เมื่อดาวโคจรในทิศที่เข้าหาโลก เส้นดูดกลืนจะเลื่อนทางน้ำเงิน (ไปทางซ้ายมือ) เมื่อดาวโคจรในทิศที่ออกจากโลก เส้นดูดกลืนจะเลื่อนทางแดง (ไปทางขวามือ) แต่ขณะที่ดาวเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับแนวสายตาจากโลก เส้นดูดกลืนก็จะไม่มีเคลื่อนที่ 

• • การหมุนรอบตัวของดาวเคราะห์: สเปกตรัมที่ได้จากดาวเคราะห์ในซีกที่หมุนเข้าหาโลกเกิดการเลื่อนทางน้ำเงิน  ส่วนสเปกตรัมที่ได้จากซีกที่หมุนออกจากโลกเกิดการเลื่อนทางแดง

  • การค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ: (Exoplanet)  ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ มีความสว่างน้อยมากจนมองไม่สามารถมองเห็นจากโลก  อย่างไรก็ตามอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวทั้งสองโคจรรอบกันและกันโดยมีจุดศูนย์กลางมวลร่วม ซึ่งทำให้ดาวฤกษ์มีอาการส่ายไปมา (wobble) ดังแสดงในภาพที่ 3 ซึ่งนักดาราศาสตร์สังเกตได้โดยการวิเคราะห์สเปกตรัม 

• • การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ในทางช้างเผือก: นักดาราศาสตร์ศึกษาทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ ในแขนกังหันของกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยพิจารณาการเลื่อนทางแดง หรือ การเลื่อนทางน้ำเงินของดาวแต่ละดวง

  • การเคลื่อนที่ของกาแล็กซี: นักดาราศาสตร์ศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี โดยการวิเคราะห์สเปกตรัมของกาแล็กซีพบว่า กาแล็กซีแอนโดรเมดากำลังเคลื่อนที่เข้าหากาแล็กซีทางช้างเผือก

  • การขยายตัวของเอกภพ กระจุกกาแล็กซีกำลังเคลื่อนที่ห่างจากโลกในทุกทิศทาง  กระจุกกาแล็กซียิ่งอยู่ไกลยิ่งมีค่าการเลื่อนแดงที่สูง เป็นหลักฐานยืนยันว่า เอกภพกำลังขยายตัว ภาพที่ 4 แสดงให้เห็น การเลื่อนทางแดงบนสเปกตรัมของกระจุกกาแล็กซีแห่งหนึ่ง  เส้นไฮโดรเจนอัลฟา (H) ซึ่งปกติอยู่ที่ความยาวคลื่น 653 nm ในช่วงแสงที่ตามองเห็น  เลื่อนไปอยู่ที่ความยาวคลื่น 760 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ในช่วงรังสีอินฟราเรด

 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า | การแผ่รังสี | อนุภาคแสง | สเปกตรัม | กลไกควอนตัม | ปรากฏการณ์ดอปเปอร์