นักดาราศาสตร์คำนวณสีที่แท้จริงของจมูกรูดอล์ฟในวันคริสต์มาสอีฟ

เนื่องด้วยเด็กๆ หลายพันล้านคนทั่วโลกต่างรอคอยของขวัญอย่างใจจดใจจ่อ คุณพ่อคริสต์มาส (หรือซานต้า) และกวางเรนเดียร์ของเขาจึงต้องเดินทางด้วยความเร็วสูงเพื่อไปส่งพวกเขาทั้งหมดในคืนเดียว

แต่คุณรู้ไหมว่าแสงจากวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเปลี่ยนสีได้ ต้องขอบคุณสิ่งที่เรียกว่าปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ ซึ่งเป็นความเร็วที่ส่งผลต่อความยาวของคลื่น เช่น เสียงหรือแสง

เมื่อแสงเปลี่ยนสีตามความเร็ว เราเรียกมันว่าหรือ blueshift ขึ้นอยู่กับทิศทาง หากเราสามารถจับสีจมูกสีแดงอันโด่งดังของรูดอล์ฟด้วยกล้องโทรทรรศน์ตัวใดตัวหนึ่งของเรา เราก็สามารถใช้เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์เพื่อวัดความเร็วของวันพ่อคริสต์มาส

ต่อไปนี้เป็นวิธีการทำงาน และเหตุใดผลกระทบนี้จึงเป็นเครื่องมือสำคัญในทางดาราศาสตร์ด้วย

คุณพ่อคริสต์มาสและกวางเรนเดียร์ของเขาต้องเดินทางไกลแค่ไหน?

เตรียมตัวเลื่อนเลื่อนของคุณเพื่อท่องคณิตศาสตร์คริสต์มาสเบาๆ ฉันได้อัปเดตแล้ววิธีการที่นำเสนอในปี 1998เพื่อดูว่ารูดอล์ฟและคุณพ่อคริสต์มาสต้องเดินทางไปส่งของขวัญที่จำเป็นทั้งหมดเร็วแค่ไหน (คุณสามารถหางานของฉันได้ที่นี่-

มีประมาณ 2 พันล้านเด็กอายุต่ำกว่า 14 ปีในโลกประมาณ 93% ของประเทศฉลองคริสต์มาสด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง ดังนั้นเราจะถือว่า 93% ของเด็กทุกคนทำ

เรารู้ว่าคุณพ่อคริสต์มาสจะส่งของขวัญให้กับผู้ที่เชื่ออย่างแท้จริงเท่านั้น ถ้าเราถือว่าเหมือนกันเปอร์เซ็นต์ของผู้เชื่อตามกลุ่มอายุอย่างที่พบในสหรัฐอเมริกา นั่นทำให้เรามีเด็กประมาณ 690 ล้านคน

กับเด็กประมาณ 2.3 คนต่อครัวเรือนทั่วโลกเขาต้องไปเยี่ยมเยียนประมาณ 300 ล้านครัวเรือน

คุณพ่อคริสต์มาสต้องเดินทาง 144 ล้านกิโลเมตรในวันคริสต์มาสอีฟ โดยกระจายครัวเรือนเหล่านั้นอย่างเท่าเทียมกันทั่วพื้นที่ที่อยู่อาศัยบนโลก 69 ล้านตารางกิโลเมตร (โดยคำนึงถึงมหาสมุทร ทะเลทราย แอนตาร์กติกา และภูเขา) นั่นเกือบจะเหมือนกันเช่นระยะห่างจากโลกถึงดวงอาทิตย์-

โชคดีที่คุณพ่อคริสต์มาสมีโซนเวลาอยู่ข้างๆ โดยจะมีเวลา 35 ชั่วโมงก่อนที่จะส่งของขวัญชิ้นแรกและชิ้นสุดท้าย

สมมติว่าคุณพ่อคริสต์มาสใช้เวลาครึ่งหนึ่งในการเข้าและออกจากแต่ละครัวเรือน ซึ่งทำให้เขามีเวลาทั้งหมด 17.5 ชั่วโมงหรือ 0.2 มิลลิวินาทีต่อครัวเรือน เขาใช้เวลาอีก 17.5 ชั่วโมงในการเดินทางระหว่างครัวเรือน

สมมติฐานของฉันคือเขาต้องเดินทางด้วยความเร็วมากถึง 8.2 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือ 0.8% ของความเร็วแสง เพื่อส่งของขวัญทั้งหมดออกไป

เราจะวัดความเร็วของ Father Christmas ด้วยจมูกของรูดอล์ฟได้อย่างไร

สมมติว่าเราต้องการวัดความเร็วของการเดินทางของคุณพ่อคริสต์มาสจริงๆ เพื่อดูว่าตรงกับสมมติฐานหรือไม่

กล้องจับความเร็วแบบมาตรฐานคงใช้ไม่ได้ผล แต่เรามีกล้องโทรทรรศน์บนโลกที่สามารถวัดสีของบางสิ่งบางอย่างได้โดยใช้สเปกโทรสโกปี-

รูดอล์ฟ กวางเรนเดียร์ตัวเอกของ Father Christmas มีชื่อเสียงโด่งดังจมูกสีแดงทับทิม- หากเราสามารถสังเกตวันพ่อคริสต์มาสด้วยกล้องโทรทรรศน์ เราก็สามารถใช้สีจมูกของรูดอล์ฟเพื่อวัดความเร็วของเขาโดยใช้ผลกระทบดอปเปลอร์ซึ่งอธิบายว่าความเร็วส่งผลต่อความยาวคลื่นอย่างไร นั่นเป็นเพราะว่าจมูกของรูดอล์ฟจะไม่ดูแดงนักหากเขาเดินทางด้วยความเร็วสูง

ดอปเปลอร์เอฟเฟกต์คืออะไร? ตัวอย่างที่ดีคือเสียงรถพยาบาล เมื่อมันผ่านคุณไปบนถนน เสียงของมันจะดังขึ้นเมื่อเข้าใกล้ และจะดังต่ำลงเมื่อขับออกไป เนื่องจากในขณะที่รถพยาบาลเคลื่อนตัวเข้าหาคุณ คลื่นเสียงจะถูกบีบอัดให้มีความยาวคลื่นสั้นลง และความยาวคลื่นที่สั้นลงหมายถึงระดับเสียงที่สูงขึ้น

สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับแสง หากแหล่งกำเนิดแสงเดินทางออกจากคุณ ความยาวคลื่นจะถูกขยายออกและกลายเป็นสีแดงมากขึ้นหรือ "เคลื่อนไปทางสีแดง" หากแหล่งกำเนิดแสงเคลื่อนที่เข้าหาคุณ ความยาวคลื่นจะถูกบีบอัด และแสงจะกลายเป็นสีน้ำเงินมากขึ้นหรือ "เปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน"

รูดอล์ฟ กวางเรนเดียร์เรดชิฟท์

แสงสีแดงมีความยาวคลื่น 694.3 นาโนเมตร เมื่อ "อยู่นิ่ง" ซึ่งหมายความว่าแสงไม่เคลื่อนที่ นั่นจะเป็นการวัดของรูดอล์ฟที่อยู่นิ่ง

สมมติว่าคุณพ่อคริสต์มาสอยากจะส่งของขวัญอย่างรวดเร็ว เพื่อที่เขาจะได้ผ่อนคลายด้วยนมและบิสกิตในตอนกลางคืน เขาทำให้กวางเรนเดียร์วิ่งเร็วกว่าที่ฉันคิดไว้มาก ที่ความเร็ว 10% ของแสงหรือ 107 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง

ด้วยความเร็วนี้ จมูกของรูดอล์ฟจะเปลี่ยนเป็นสีฟ้าเป็นสีส้มสดใส (624 นาโนเมตร) ขณะที่เขาบินไปที่บ้านของคุณ

และมันก็จะเปลี่ยนเป็นสีแดงเข้มมาก (763 นาโนเมตร) ในขณะที่เขากำลังจะเคลื่อนตัวออกไป ดวงตาสีแดงเข้มที่สุดของมนุษย์มองเห็นได้อยู่รอบๆ780 นาโนเมตร- ด้วยความเร็วขนาดนี้ จมูกของรูดอล์ฟก็เกือบจะดำ

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์มีบทบาทในทางดาราศาสตร์

นักดาราศาสตร์ใช้ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เพื่อวัดการเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆ ในอวกาศ เราสามารถใช้มันเพื่อดูว่ามีดาวฤกษ์กำลังโคจรรอบดาวฤกษ์อีกดวงหนึ่ง– สิ่งที่เรียกว่ากระบบไบนารี่-

เรายังสามารถใช้เพื่อค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ (ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นที่ไม่ใช่ดวงอาทิตย์ของเรา) โดยใช้วิธีที่เรียกว่า "ความเร็วในแนวรัศมี" เรายังสามารถใช้เพื่อวัดระยะทางได้อีกด้วยกาแลคซีอันห่างไกล-

มีบางสิ่งที่วิทยาศาสตร์ไม่สามารถอธิบายได้ และหนึ่งในนั้นคือความมหัศจรรย์ของวันพ่อคริสต์มาส แต่หากนักดาราศาสตร์จับรูดอล์ฟด้วยกล้องโทรทรรศน์ พวกเขาจะแจ้งให้ทุกคนทราบอย่างแน่นอน

ลอร่า นิโคล ดรีสเซ่น, นักวิจัยหลังปริญญาเอกสาขาดาราศาสตร์วิทยุมหาวิทยาลัยซิดนีย์

บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจากการสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-