葉飛

戰(zhàn)國時期，古人制造出一種類似現(xiàn)代赤道坐標(biāo)儀的儀器來測量恒星的位置，研究恒星的運動。西漢時期，落下閎發(fā)明了渾儀，以此來測量天體的位置。在西方，托勒密與哈雷等人在堅持不懈地對恒星進(jìn)行了大量觀測的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)天狼星、南河三和大角星等恒星的位置相較之前都有了明顯的變化。

視向速度、切向速度示意圖

我們觀測到的恒星運動實際上是恒星相對于地球的運動，比如我們先觀測記錄恒星在夜空中的位置，然后過一個小時再觀測一次，那么除了北極星，我們會看到夜空中其他恒星都變了位置。這樣的變化是地球自轉(zhuǎn)造成的，地球自西向東轉(zhuǎn)動使得恒星看起來像是自東向西運動一般。如果除去地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，恒星相對于太陽的運動就被稱為“恒星的空間運動”。

既然確定恒星在空間中運動，那么它的運動速度是多少呢？恒星的空間運動速度可分為切向速度分量和視向速度分量。恒星垂直于視線方向上的速度被稱為切向速度，朝向視線方向的速度則被稱為視向速度。恒星的視向速度可以根據(jù)恒星光譜中譜線的多普勒位移測得。

由著名的奧地利物理學(xué)家多普勒提出的多普勒效應(yīng)指出：波在波源移向觀測者時頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀測者時頻率變低，這種位移現(xiàn)象就被稱為多普勒位移。多普勒效應(yīng)不僅可以應(yīng)用在天文學(xué)上，它還被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、氣象學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷和日常生活等諸多方面。

多普勒效應(yīng)示意圖

1842年，多普勒路過鐵路交叉口時，一列火車從他身旁飛馳而過。他注意到一個日常生活中常見的現(xiàn)象，即火車由遠(yuǎn)及近行駛時，汽笛聲會隨之逐漸變響，音調(diào)變高;而火車駛離時，汽笛聲則由強變?nèi)?，音調(diào)變低。他對這個現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的興趣，立即回家研究起來。很快，他便發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是振源與觀測者之間存在著相對運動，使觀測者聽到的聲音頻率不同于振源頻率，也就是所謂的頻移現(xiàn)象。簡單來說，就是當(dāng)聲源遠(yuǎn)離觀測者時，聲波的波長會增加，音調(diào)變得低沉;當(dāng)聲源接近觀測者時，聲波的波長則減小，音調(diào)就變高了。

藍(lán)移、紅移示意圖

不只聲波，具有波動性的光也同樣會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。當(dāng)時多普勒提出這一理論主要是為了解釋雙星的子星和變星的顏色、大小問題，因為他相信這些參數(shù)無一例外都會受天體沿視線方向運動的影響。具體來說，就是一個發(fā)光物體的運動必然會導(dǎo)致光的顏色和頻率的變化——如果它在靠近，光的頻率就在增加，顏色會從白變綠，再變藍(lán)，最后變成紫色，在這個過程中，恒星的光譜線波長變短，這樣的現(xiàn)象被稱作“藍(lán)移”;如果它遠(yuǎn)去，光的頻率則會減弱，顏色會從白變黃，再變橙，最終變成紅色，所以有些天體呈紅色，是因為它們正離我們遠(yuǎn)去，在它遠(yuǎn)離的過程中，光波會越來越長，這個現(xiàn)象就被稱為“紅移”。所以，紅移或藍(lán)移現(xiàn)象準(zhǔn)確來說并不是指顏色變紅或變藍(lán)，而是指光線頻率的改變。如果發(fā)光物體本身已經(jīng)具備了某種顏色，那么它的變色就會從本身顏色開始，如黃色物體的變色過程就是由黃變橙，最終變成紅色。

當(dāng)然，我們不能說只要是發(fā)紅光的星星都是離我們遠(yuǎn)去的。恒星之所以有不同的顏色，還取決于它的表面溫度，或者說不同恒星有不同的光譜型號。多普勒效應(yīng)不會影響恒星本身的顏色。

多普勒

最早利用多普勒效應(yīng)測得恒星視向速度的人是英國天文學(xué)家哈根斯，他在1868年測出天狼星某一波長的譜線向紅光方向移動，從而推算出天狼星正以大約每秒47千米的速度離我們而去。這也是人們第一次利用光的多普勒效應(yīng)測出恒星的視向速度。

在哈根斯之后，美國天文學(xué)家莫里于1889年拍攝了大熊座ζ星的光譜。這顆星星的中文名字叫作開陽星，是北斗七星中的第六顆星。這顆星實際上是一顆目視雙星，較亮的那顆被稱為開陽A星，較暗的那顆被稱為“輔”。莫里發(fā)現(xiàn)開陽星的光譜譜線是雙重的，并且雙重譜線會周期性地分開、靠近、交疊、再分開……于是，他推測開陽星是一個雙星系統(tǒng)，它們在相互繞轉(zhuǎn)，而光譜譜線交替出現(xiàn)紅移和藍(lán)移現(xiàn)象，是因為它們在交替地接近或遠(yuǎn)離我們。

開陽雙星

在對恒星光譜的研究中，產(chǎn)生了眾多光譜學(xué)家，德國光譜學(xué)家沃格爾和美國光譜學(xué)家皮克林通過對比一些恒星光譜中的暗線位置，發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：譜線在周期性地?fù)u擺。他們能想到的唯一解釋就是這種恒星與另一顆離它很近的天體在相互繞轉(zhuǎn)。

在浩瀚的銀河系中，像上述提到的“雙星”非常多，雙星的顏色也是豐富多彩的，它們的存在為我們揭示了恒星世界的一些奧秘。然而，在對雙星顏色的研究上，多普勒效應(yīng)發(fā)揮了巨大的作用。

哈根斯

在這些天體的運動中，我們可以通過多普勒效應(yīng)探知它們運動的概況，比如速度和距離。1891年，沃格爾將金星光譜中的譜線位移和金星已知軌道做比較，從反射光的天體確定了多普勒效應(yīng)的正確性。此后，多普勒效應(yīng)很快便被應(yīng)用到星體運動的研究中，比如雙星在相互繞轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生不斷變化的藍(lán)移或紅移。

太陽距離銀河系中心約有2萬光年，它帶領(lǐng)著太陽系大家族繞著銀河中心做圓軌道運動，周期大約為2.5億年。不僅如此，銀河系內(nèi)的其他恒星也與太陽一樣，一邊繞著銀河系中心轉(zhuǎn)動，一邊進(jìn)行自己固有的運動。根據(jù)觀測發(fā)現(xiàn)，太陽正在以每秒19.7千米的速度，朝武仙座緩慢移動。不過不用擔(dān)心，恒星之間的距離非常遙遠(yuǎn)，所以不管它們怎么動，碰撞的可能性都很小。

我們看到，宇宙萬物既神秘，又遵循著一定的規(guī)則。衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)，行星繞著恒星轉(zhuǎn)，恒星繞著星系中心轉(zhuǎn)，那星系繞著什么轉(zhuǎn)呢？帶著這個未知，大家一起來探索吧！

恒星運動軌跡