

(ID 336907098 © Yaroslaf | Dreamstime.com)
Saat miliaran anak di seluruh dunia menunggu hadiah mereka dengan cemas, Bapak Natal (atau Sinterklas) dan rusa kutubnya harus melakukan perjalanan dengan kecepatan sangat tinggi untuk mengantarkan semuanya dalam satu malam.
Namun tahukah Anda bahwa cahaya dari suatu benda yang bergerak dengan kecepatan tinggi berubah warna? Ini berkat apa yang disebut Efek Doppler – pengaruh kecepatan terhadap panjang gelombang, seperti suara atau cahaya.
Ketika cahaya berubah warna karena kecepatan, kita menyebutnya pergeseran merah atau pergeseran biru, tergantung arahnya. Jika kita bisa menangkap warna hidung merah Rudolph yang terkenal dengan salah satu teleskop kita, kita bisa menggunakan efek Doppler untuk mengukur kecepatan Sinterklas.
Inilah cara kerjanya – dan mengapa efek ini juga merupakan alat penting dalam astronomi.
Seberapa jauh Sinterklas dan rusa kutubnya perlu melakukan perjalanan?
Kenakan kereta luncur Anda untuk beberapa matematika Natal ringan. Saya telah memperbarui metode yang diusulkan pada tahun 1998 untuk mengetahui seberapa cepat Rudolph dan Sinterklas harus melakukan perjalanan untuk mengantarkan semua hadiah yang diperlukan (Anda dapat menemukan cara kerja saya di sini).
Terdapat sekitar 2 miliar anak di bawah usia 14 tahun di dunia. Sekitar 93% negara merayakan Natal dengan cara tertentu, jadi kita asumsikan 93% anak-anak merayakannya.
Kita tahu Bapak Natal hanya memberikan hadiah kepada mereka yang benar-benar beriman. Jika kita mengasumsikan persentase orang percaya berdasarkan kelompok umur sama dengan yang terdapat di Amerika Serikat, maka kita mempunyai sekitar 690 juta anak.
Dengan sekitar 2,3 anak per rumah tangga di seluruh dunia, ia harus mengunjungi sekitar 300 juta rumah tangga.
Dengan menyebarkan rumah tangga tersebut secara merata di 69 juta kilometer persegi wilayah daratan yang dapat dihuni di Bumi (dengan memperhitungkan lautan, gurun, Antartika, dan pegunungan), Bapak Natal harus melakukan perjalanan sejauh 144 juta kilometer pada Malam Natal. Itu hampir sama dengan jarak Bumi ke Matahari.
Untungnya, Sinterklas memiliki zona waktu, dengan jeda waktu 35 jam antara pengantaran hadiah pertama dan terakhir.
Katakanlah Bapak Natal menggunakan separuh waktunya untuk masuk dan keluar dari setiap rumah tangga, yang berarti dia total 17,5 jam atau 0,2 milidetik per rumah tangga. Dia menggunakan 17,5 jam lainnya untuk bepergian antar rumah tangga.
Hipotesis saya adalah dia perlu melakukan perjalanan dengan kecepatan 8,2 juta kilometer per jam, atau 0,8% kecepatan cahaya, untuk mengantarkan semua hadiah.
Bagaimana kita bisa mengukur kecepatan Bapak Natal dengan hidung Rudolph?
Katakanlah kita ingin mengukur kecepatan perjalanan Sinterklas untuk mengetahui apakah hal tersebut sesuai dengan hipotesis.
Kamera kecepatan standar tidak akan berhasil. Tapi kita punya teleskop di Bumi yang bisa mengukur warna sesuatu dengan menggunakan spektroskopi.
Rusa kutub utama Bapak Natal, Rudolph, terkenal memiliki hidung berwarna merah delima. Jika kita bisa mengamati Bapak Natal dengan teleskop, kita bisa menggunakan warna hidung Rudolph untuk mengukur kecepatannya menggunakan efek Doppler, yang menggambarkan bagaimana kecepatan mempengaruhi panjang gelombang. Itu karena hidung Rudolph tidak akan terlihat terlalu merah jika dia melaju dengan kecepatan tinggi.
Apa efek Doppler? Contoh yang bagus adalah suara ambulans. Saat ia melewati Anda di jalan, nada suaranya menjadi lebih tinggi saat ia mendekat, dan nadanya lebih rendah saat ia menjauh. Ini karena saat ambulans bergerak ke arah Anda, gelombang suara dikompresi menjadi panjang gelombang yang lebih pendek, dan panjang gelombang yang lebih pendek berarti nada yang lebih tinggi.


Hal yang sama terjadi pada cahaya. Jika sumber cahaya menjauh dari Anda, panjang gelombangnya akan melebar dan menjadi lebih merah atau “bergeser merah”. Jika sumber cahaya bergerak ke arah Anda, panjang gelombangnya akan terkompresi, dan cahayanya menjadi lebih biru atau “bergeser biru”.
Rudolph si rusa kutub yang bergeser merah
Cahaya berwarna merah memiliki panjang gelombang 694,3 nanometer saat “diam”, yang berarti tidak bergerak. Itu akan menjadi pengukuran Rudolph yang tidak bergerak.
Katakanlah Bapak Natal lebih suka mengantarkan hadiah dengan cepat, sehingga dia dapat bersantai dengan susu dan biskuit di penghujung malam. Dia membuat rusa kutubnya berlari lebih cepat dari perkiraan saya, yaitu 10% kecepatan cahaya atau 107 juta kilometer per jam.
Pada kecepatan ini, hidung Rudolph akan berubah warna menjadi oranye terang (624 nanometer) saat ia terbang menuju rumah Anda.
Dan warnanya akan berubah menjadi merah sangat gelap (763 nanometer) saat dia menjauh. Warna merah paling gelap yang bisa dilihat mata manusia adalah sekitar 780 nanometer. Pada kecepatan ini, hidung Rudolph akan menjadi hampir hitam.


Efek Doppler mempunyai peranan dalam astronomi
Para astronom menggunakan efek Doppler untuk mengukur pergerakan benda di luar angkasa. Kita dapat menggunakannya untuk melihat apakah sebuah bintang mengorbit bintang lain – yang dikenal sebagai sistem biner.
Kita juga dapat menggunakannya untuk menemukan exoplanet (planet yang mengorbit bintang selain Matahari kita) menggunakan metode yang disebut “kecepatan radial”. Kita bahkan dapat menggunakannya untuk mengukur jarak galaksi yang jauh.
Ada beberapa hal yang tidak bisa dijelaskan oleh sains, dan salah satunya adalah keajaiban Bapak Natal. Namun jika para astronom menangkap Rudolph dengan teleskop mereka, mereka pasti akan memberi tahu semua orang.