অন্তিম পরিণতি, ডপলার ইফেক্ট, রেড শিফট ও তরঙ্গ

লেখক : এ আর মুবিন

জ্যোতির্বিদ এডউইন হাবল কীভাবে বুঝলেন গ্যালাক্সিগুলো একে অন্যের কাছ থেকে পালাচ্ছে? আসলে এক্ষেত্রে তিনি দূর গ্যালাক্সি থেকে আসা আলোর লাল সরণ (Red shift) পর্যবেক্ষণ করেছিলেন। কী এই লাল সরণ? বুঝতে হলে আমাদেরকে আগে “ডপলার ইফেক্ট” সম্পর্কে জানতে হবে। আসুন জেনে নিই :

ধরেন, আপনি একজন ভিক্ষুক, রাস্তার ধারে দাঁড়িয়ে ভিক্ষা করছেন। আর আমি একজন রোগী, অ্যাম্বুলেন্সে শুয়ে সেই রাস্তা দিয়ে হসপিটাল যাচ্ছি, আপনার “আল্লার ওয়াস্তে দুইডা ট্যাহা দ্যান” পঙক্তি ছাপিয়ে ট্যাঁ টোঁ শব্দের সাইরেন চারদিকে ছড়িয়ে পড়ল, আপনি কানে কম শুনলেও অ্যাম্বুলেন্সের সাইরেন ঠিকই শুনতে পেলেন। অ্যাম্বুলেন্সটি যতই আপনার কাছাকাছি আসতে থাকল ততই সাইরেনের শব্দ জোরালো হতে লাগল। একপর্যায়ে অ্যাম্বুলেন্সটি আপনার পাশ ঘেঁষে সাঁই করে চলে গেল, অ্যাম্বুলেন্সটি যখন আপনার খুব কাছাকাছি ছিল তখন আপনি খুবই জোরালোভাবে সাইরেনের শব্দ শুনছিলেন, অ্যাম্বুলেন্স দূরে যাবার সাথে সাথে সাইরেনও মিঁইয়ে আসছিল।

আরেকটা ব্যাপার আপনি খেয়াল করেননি, যেহেতু আপনি কানে কম শুনেন, অ্যাম্বুলেন্সটি আপনার কাছে আসার ঠিক ১০০ গজ আগে যে দূরত্বে ছিল তখনকার সাইরেনের শব্দ আর অ্যাম্বুলেন্সটি আপনাকে পাশ কাটিয়ে যখন ১০০ গজ দূরে চলে গেল তখনকার সাইরেনের শব্দের মধ্যে একটু পার্থক্য আছে। কিন্তু শব্দের পার্থক্য কেন থাকবে? উভয় ক্ষেত্রেই তো অ্যাম্বুলেন্সটি আপনার থেকে সমান দূরত্বে ছিল। কারণটা জানতে হলে আগে তরঙ্গ ও ফ্রিকোয়েন্সি সম্পর্কে মোটামুটি ধারণা থাকতে হবে, তাই সংক্ষেপে ধারণা দেওয়ার চেষ্টা করি :

পানিতে ঢিল ছুড়লে পানির ঢেউ গোল হয়ে চারদিকে ছড়ায়, এই ঢেউগুলোর দুইটা করে অংশ থাকে, সবচেয়ে উঁচু অংশ এবং সবচেয়ে নিচু অংশ। উঁচু অংশটিকে শীর্ষ বিন্দু এবং নিচু অংশটিকে পাদ বিন্দু বলে। এক শীর্ষ বিন্দু থেকে আরেক শীর্ষ বিন্দুর মধ্যেকার দূরত্বকে তরঙ্গদৈর্ঘ্য বলে। এক সেকেন্ডে যতগুলা তরঙ্গ একটা নির্দিষ্ট বিন্দুকে অতিক্রম করে তাকে ফ্রিকোয়েন্সি বলে। অর্থাৎ, ছোটো তরঙ্গের ফ্রিকোয়েন্সি বেশি, বড়ো তরঙ্গের ফ্রিকোয়েন্সি কম।

তরঙ্গদৈর্ঘ্য, হাই ফ্রিকোয়েন্সি ও লো ফ্রিকোয়েন্সি

• তরঙ্গের গতিবেগকে তরঙ্গদৈর্ঘ্য দিয়ে ভাগ দিলে ফ্রিকোয়েন্সি পাওয়া যায়।

• তরঙ্গের গতিবেগকে ফ্রিকোয়েন্সি দিয়ে ভাগ দিলে তরঙ্গদৈর্ঘ্য পাওয়া যায়।

• তরঙ্গের ফ্রিকোয়েন্সিকে তরঙ্গদৈর্ঘ্যের সাথে গুণ করলে তরঙ্গের গতিবেগ পাওয়া যায়।

এই সূত্রকে বলে তরঙ্গের Golden rule।

তরঙ্গ কিন্তু পানির মতো এত সহজ জিনিস না, তরঙ্গ খুবই জটিল হতে পারে, হতে পারে ছোটোবেলায় স্কুলের খাতায় আঁকা হিজিবিজির মতো। ওপরে পানির ঢেউয়ের উদাহরণটা টেনেছিলাম খুব সহজে একটা ধারণা দেবার জন্য। পানির তরঙ্গ ছাড়াও আরো অনেক কিছুর তরঙ্গ আছে, যেমন : শব্দের তরঙ্গ, আলোর তরঙ্গ, মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ইত্যাদি।

ফিরে আসি অ্যাম্বুলেন্সে, এর সাইরেনের শব্দ আপনার দিকে ধেয়ে আসছে, সেইসাথে অ্যাম্বুলেন্সটিও এগিয়ে আসছে, এভাবে শব্দ এবং শব্দের উৎস দুটোই যদি আপনার দিকে ধাবমান হয় তাহলে শব্দের তরঙ্গদৈর্ঘ্য ছোটো হবে, ফ্রিকোয়েন্সি ঘন হবে। সেটাই হচ্ছিল, এবং আপনি খুবই জোরালো, খুবই তীক্ষ্ম সাইরেন শুনতে পাচ্ছিলেন। তারপর যখন অ্যাম্বুলেন্সটি আপনার পাশ ঘেঁষে চলে যাচ্ছিল তখন অ্যাম্বুলেন্সটি আপনার থেকে দূরে সরে যাবার কারণে সাইরেনের তরঙ্গদৈর্ঘ্য বেড়ে যায়, ফ্রিকোয়েন্সি হালকা হয়ে যায়, ফলে আপনি আগের তুলনায় মৃদু, ভোঁতা শব্দ শুনতে পাচ্ছিলেন। এইজন্যই অ্যাম্বুলেন্সটি আপনাকে পাশ কাটানোর ১০০ গজ আগে এবং পাশ কাটানোর ১০০ গজ পরের শব্দে ভিন্নতা তৈরি হচ্ছিল।

এদিকে আমি মুমূর্ষু অবস্থায় অ্যাম্বুলেন্সে শুয়ে যন্ত্রণায় কাতরাচ্ছিলাম আর সবসময় একই ফ্রিকোয়েন্সির সাইরেন শুনতে পাচ্ছিলাম, কারণ, আমি এবং অ্যাম্বুলেন্স সবসময় একে অন্যের সাপেক্ষে স্থির ছিলাম। তাই, অ্যাম্বুলেন্সের গতি যত বেশি হবে, আপনার এবং আমার কাছে পৌঁছানো শব্দের মাঝে তত বেশি ফ্রিকোয়েন্সির পার্থক্য হবে, আপনি এবং আমি ততই আলাদা সাইরেন শুনতে পাবো। এবার একই সময়ে আমি এবং আপনি যে ভিন্ন ভিন্ন ফ্রিকোয়েন্সির সাইরেন শুনতেছিলাম, সেই দুটো ফ্রিকোয়েন্সি জানা থাকলেই কিন্তু অ্যাম্বুলেন্সটি কত বেগে যাচ্ছিল সেটা হিসেব করে বের করা যাবে। হ্যাঁ, এটাই সায়েন্স, এটাই ডপলার ইফেক্ট। যা অস্ট্রিয়ান পদার্থবিদ জোহান ডপলার (১৮০৩-১৮৫৩) আবিষ্কার করে গেছেন। ডপলার ইফেক্টটিকে শব্দের সাহায্যে ডাচ আবহাওয়াবিদ ক্রিস্টোফ হেনড্রিক ডিদারিকাস বুয়েস ব্যালোট (১৮১৭-১৮৯০) একটি খোলা ট্রেনে ট্রাম্পটারস অর্কেস্ট্রা (একপ্রকার বাদ্যযন্ত্র) দিয়ে পরীক্ষা করে প্রমাণ করেছিলেন।

ডপলার ইফেক্ট

কোনো উৎস থেকে যদি আলো বা শব্দ সঙ্কেত আকারে আসে, তারপর এই সঙ্কেতটি প্রতি সেকেন্ডে নির্দিষ্টসংখ্যকবার স্পন্দিত হয়, আর যদি কোনো পর্যবেক্ষক এই স্পন্দনগুলো গ্রহণ করেন। তাহলে তিনি প্রতি সেকেন্ডে মোট কতটি স্পন্দন গ্রহণ করলেন সেটা ওই উৎসের সাপেক্ষে উনার গতির ওপর নির্ভর করে। উৎসটি যদি পর্যবেক্ষকের দিকে গতিশীল থাকে তাহলে উৎস থেকে নির্গত স্পন্দনগুলো খুব ঘন আর ছোটো হবে এবং তিনি বিশাল সংখ্যক স্পন্দন গ্রহণ করবেন। আর যদি উৎসটি উনার সাপেক্ষে দূরে সরে যেতে থাকে তাহলে উনার কাছে স্পন্দনগুলো বড়ো এবং হালকা হয়ে পৌঁছুবে। এতক্ষণে জ্যোতির্বিদ এডউইন হাবলের কাজের ধরনটা হালকা আঁচ করতে পারছেন হয়তো!

হাবল দূরবর্তী গ্যালাক্সির গতিবেগ মাপতে এই ডপলার ইফেক্টের সাহায্য নিয়েছিলেন। তিনি আমাদের চারপাশে প্রাপ্ত আলোর ফ্রিকোয়েন্সির সাথে দূরবর্তী গ্যালাক্সি থেকে আসা আলোর ফ্রিকোয়েন্সির তুলনা করে গ্যালাক্সির গতিবেগ মেপেছিলেন। কীভাবে? সেটাই জানব এখন :

আলো হচ্ছে মূলত বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গের বিকিরণ। তরঙ্গ কী সেটা ওপরে আলোচনা করেছি। বৈদ্যুতিক তরঙ্গ এবং চৌম্বকীয় তরঙ্গ মিলে হয় বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গ, বৈদ্যুতিক তরঙ্গ এবং চৌম্বকীয় তরঙ্গ একে অপরের সাপেক্ষে আড়াআড়িভাবে থাকে। এক তরঙ্গের মান বাড়লে অপরটির মান কমে, এভাবেই বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গ এগিয়ে চলে।

বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গ

তো, যখন এই তরঙ্গদৈর্ঘ্যের বিকিরণের মাত্র ০.০০০০২ থেকে ০.০০০৩ সে.মি এর মধ্যে থাকে, কেবল তখনই আমাদের চোখ এটিকে ‘আলো’ হিসেবে শনাক্ত করতে পারে। এই সাইজের চেয়ে ছোটো বা বড়ো তরঙ্গদৈর্ঘ্যের প্রতি আমাদের চোখ সংবেদনশীল নয়। তার মানে বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় বিকিরণের একটি নির্দিষ্ট সাইজের তরঙ্গদৈর্ঘ্যগুলোকে আমরা ‘আলো’ বলি। এই দৃশ্যমান আলোর বর্ণালীর মাঝে সবচেয়ে ছোটো তরঙ্গদৈর্ঘ্য হচ্ছে বেগুনি আলোর, তারপর যদি আমরা পর্যায়ক্রমে নীল, আকাশী, সবুজ, হলুদ, কমলা এবং লালের তরঙ্গদৈর্ঘ্য বিশ্লেষণ করি তাহলে দেখতে পাবো বর্ণালীর তরঙ্গদৈর্ঘ্য ক্রমশ বড়ো হচ্ছে। বর্ণালীর সবচেয়ে বড়ো দৃশ্যমান তরঙ্গ হলো লাল। দৃশ্যমান আলোর চাইতে বড়ো তরঙ্গদৈর্ঘ্যগুলোর বিকিরণকে পর্যায়ক্রমে ইনফ্রারেড, মাইক্রোওয়েভ এবং রেডিয়ো তরঙ্গ বলা হয়। একইভাবে দৃশ্যমান আলোর চাইতে ছোটো তরঙ্গদৈর্ঘ্যগুলোর বিকিরণকে পর্যায়ক্রমে আল্ট্রাভায়োলেট রে, এক্স রে, এবং গামা রে বলা হয়।

দৃশ্যমান আলোর বর্ণালী

বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় বিকিরণের সকল তরঙ্গদৈর্ঘ্য একই গতিতে, অর্থাৎ আলোর বেগে ভ্রমণ করে। একটি নক্ষত্র বা গ্যালাক্সি থেকে সব দৈর্ঘ্যের বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গ বিকিরিত হয়। নক্ষত্র বা গ্যালাক্সি থেকে বিভিন্ন প্রক্রিয়ায় ভিন্ন ভিন্ন তরঙ্গদৈর্ঘ্য নির্গত হয়। যেমন, নক্ষত্রের মধ্যে নিউক্লিয়ার ফিউশনের কারণে তাতে হাইড্রোজেন পরমাণু ভেঙে হিলিয়াম পরমাণু তৈরি হয়, সাথে তৈরি হয় প্রচুর পরিমাণে তাপ ও আলো। (কীভাবে হয় সেটা আরেকদিন বিস্তারিত বলব)। তারপর একদিন যখন এই ফিউশনের জ্বালানি অর্থাৎ সব হাইড্রোজেন ফুরিয়ে যায়, তখন ফিউশন বন্ধ হবার ফলে নক্ষত্রের বাইরের অংশ কেন্দ্রের দিকে চাপ দেয়, প্রচণ্ড এই চাপে তাপমাত্রা আরও বেড়ে যায়, তখন হিলিয়াম পুড়তে শুরু করে। এভাবে সেখানে রেডিয়ো ব্যান্ডের বিকিরণে বৈদ্যুতিক চার্জযুক্ত কণা যথা ইলেকট্রন এবং প্রোটনগুলোর সাহায্যে একে একে সমস্ত পদার্থ তৈরি হয়। চার্জিত কণাগুলো বিকিরণের মাধ্যমে চারপাশে শক্তি ত্যাগ করে, যার ফলে চার্জিত কণার শক্তি হ্রাস পায়। চূড়ান্তভাবে বিশ্লেষণ করলে দেখা যায়, চার্জিত কণার গতির কারণেই সবধরনের বিকিরণ ঘটে। উদাহরণস্বরূপ যখন আমরা একটুকরো লোহাকে গরম করি, তখন এর মধ্যে অবস্থিত ইলেকট্রনগুলোর এলোপাতাড়ি ছোটাছুটি বেড়ে যায়, যার ফলে সেখান থেকে তাপ বা ইনফ্রারেড বিকিরিত হয়। ইলেকট্রনের এই এলোপাতাড়ি দৌড়ঝাঁপ যত বাড়ে ফ্রিকোয়েন্সির বিকিরণ ততই প্রকট হয়, আমরা দেখতে পাই লোহা গরম হয়ে গেছে, লাল হয়ে গেছে, ইত্যাদি।

পরমাণুর চারপাশে নৃত্যরত ইলেকট্রন (ছবিটি প্রতীকী)

যেকোনো উৎস থেকে নির্গত বিকিরণে বিভিন্ন তরঙ্গদৈর্ঘ্যে বিভিন্ন পরিমাণে শক্তি থাকে। অর্থাৎ তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ভিন্নতার ওপর ভিত্তি করে বিকিরণের তীব্রতা ভিন্ন হতে পারে। একটি গ্রাফ এঁকে এই তীব্রতা ও তরঙ্গদৈর্ঘ্যের মধ্যেকার সম্পর্কটি দেখানো যায়।

গ্রাফ

গ্রাফটিতে দেখা যাচ্ছে তীব্রতা সর্বোচ্চ হয় যখন তরঙ্গদৈর্ঘ্য λ₀ তে অবস্থান করে। আরেকটি গ্রাফ আছে, যা বিকিরণকে ‘Spectrum’ হিসেবে চিহ্নিত করে। ‘Spectrum’ বা বর্ণালী হচ্ছে একটি উৎস থেকে নির্গত আলোকছটা, যা স্পেকট্রোমিটারের সাহায্যে বিশ্লেষণ করে উৎসটির গাঠনিক উপাদান সম্পর্কে তথ্য পাওয়া যায়। খুব সহজ ভাষায় স্পেকট্রোমিটার হচ্ছে এক ধরনের প্রিজম। নক্ষত্র, গ্যালাক্সি বা উত্তপ্ত লোহার টুকরা, সবকিছুরই আলাদা বৈশিষ্ট্যযুক্ত বর্ণালী আছে। নক্ষত্র বা গ্যালাক্সি থেকে নির্গত বিকিরণের কিছুটা তাদের চারপাশে ছড়িয়ে থাকা ঠান্ডা গ্যাসের মেঘপুঞ্জ দ্বারা শোষিত হয়। কোন কোন তরঙ্গদৈর্ঘ্য শোষিত হবে সেটা নির্ভর করে গ্যাসীয় মেঘপুঞ্জে থাকা পদার্থের ধরনের ওপর। যেমন, ক্যালসিয়ামের পরমাণু একটি নির্দিষ্ট দৈর্ঘ্যের তরঙ্গ শোষণ করতে পারে, বাকি তরঙ্গগুলো সে ইগ্নোর করে। আবার লোহার পরমাণু অন্য একটি নির্দিষ্ট দৈর্ঘ্যের তরঙ্গ শোষণ করে বাকিগুলো ছেড়ে দেয়। কোন কোন পদার্থ কোনো কোন তরঙ্গদৈর্ঘ্য শোষণ করে এগুলো ল্যাবরেটরিতেই পরীক্ষা করে বের করা যায়। নক্ষত্র বা গ্যালাক্সির গাঠনিক উপাদান কিছু নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্যকে শোষণ করে ফেলে, ফলে স্পেকট্রোমিটারে সেইসব তরঙ্গদৈর্ঘ্যের বর্ণালী দেখা যায় না, তার বদলে দেখা মেলে কালো কালো দাগ। এই দাগগুলো বিশ্লেষণ করেই বিজ্ঞানীরা বলে দিতে পারেন কোনো নক্ষত্রের বা গ্যালাক্সির বা যেকোনো মহাজাগতিক বস্তুর গাঠনিক উপাদান কী হতে পারে।

প্রিজম

(প্রখ্যাত বাংলাদেশী জ্যোতির্বিজ্ঞানী জামাল নজরুল ইসলামের জনপ্রিয় বই The ultimate fate of the universe অবলম্বনে)

এ আর মুবিন

ব্যাঙের ছাতার বিজ্ঞান