多普勒效应：天文观测的有力手段
多普勒效应(Doppler effect)这一普遍的物理现象在寻找马航失联客机中大出风头。专业人员利用这个效应从极为有限的数个飞机和海事卫星的自动握手信号频率微小的变化中分析出飞机的飞行方向，并结合合理的飞机飞行参数的假设，判断出飞机坠海的大致区域，成为目前飞机下落最重要的线索。多普勒效应在天文上的应用更为广泛，是许多天文观测不可缺少的手段。
多普勒效应是指如果信号源和信号接收器之间有相对运动，那么接收端接收到信号源发出的信号频率将发生变化：两者相向运动则频率增加，反向运动则频率降低。对声波的多普勒效应我们都有体验，如火车呼啸而过，就是当火车先驶近观测者时鸣笛声波频率增加，音调变高，而等火车驶过观测者后，火车和观测者之间的相向运动突然变为反向运动，从而鸣笛声波频率骤然变低，音调变低沉。这个现象的根本原因是当声源向静止的观测者运动时，声源发出的声波波长被压缩了，或者当观测者向静止的声源运动时，声速增加了，而频率＝声速/波长，所以只要两者相向运动，结果都是频率增加。通过声波频率的变化，就可以计算出声源相对于观测者的运动速度。无线电波、光等电磁波也有类似的多普勒效应，但是因为电磁波以光速传播无需媒介，需要考虑相对论效应，所以具体的频率变化和相对运动速度的关系与声波有些不同。生活中应用多普勒效应的例子很多：交通警用这个原理来测量车辆是否超速；医疗上用的彩超也是通过它测出血管里血液流动的方向再用不同颜色显示出来，可以帮助判断静脉还是动脉以及诊断血管病变等；气象观测上，气象雷达可以测出云层的运动速度。
天文观测上，通过多普勒效应得到远处天体相对地球上的观测者的相对运动速度显得特别有意义，尤其是对观测太阳系以外遥远的天体，它们在地球上的观测者看起来几乎就是恒定不动的，而很难直接观测到它们的运动情况。恒星发出的连续频率的光在穿越它们自身的大气时，某些频率的光会被大气中的元素所吸收而在与这些元素对应的特征频率上形成暗线；或者恒星表面的高温等离子体本身就能发出所含元素特征频率的光，可以被光谱仪检测出。通过对这些频率分布的分析，可以反推恒星的元素构成。第二号元素氦就是通过研究日全食时日珥（太阳表面喷出的高温等离子体）的未知光谱时首次发现的。氦只稀少地存在于地球岩层里，却广泛存在于太阳中。
实际上远处星体某元素发出的光谱和地球上测得的同一元素的光谱相比往往有整体的移动，一个最主要的原因就是星体和地球有相对运动。根据多普勒效应，如果星体朝着地球运动，光谱线就会整体向高频移动，而可见光中蓝光有比较高的频率，红光有比较低的频率，因此这种移动被称作蓝移；相反地，如果星体背离地球运动，光谱线就会整体向低频移动，称作红移。根据光谱移动的大小可以推算出被测星体相对地球运动的速度和方向。1920年代哈勃(Hubble)观测到一个令人震惊的现象，就是遥远的星体的光谱都是红移的，而且离地球越远红移量越大。利用多普勒效应换算成相对速度后，他发现遥远的星体离我们而去的速度与它们离我们的距离成正比。这表明宇宙正在膨胀，如果用观测到的速度距离关系反推回去，可以算出宇宙的年龄，并暗示宇宙是从一个点开始不断膨胀达到今天的大小的，这给出了宇宙大爆炸模型的第一个证据。后来，人们又观测到宇宙微波背景辐射等其它强有力的证据，促使这一模型成为当今科学界唯一公认的宇宙模型。
两颗恒星相互绕行形成双星系统(Binary star)是宇宙中很常见的恒星系统，也是天文学上很喜欢研究的系统，因为通过对双星的绕行的观测可以得到其中恒星的质量等参数，还可以帮助揭示恒星的形成和演化。夜晚最明亮的恒星天狼星就有一个很暗的伴星，是当年观测到天狼星波浪状的运行轨迹时发现的。另有许多双星系统是通过研究它们的光谱频率周期性的漂移而发现的，而被称为分光双星(Spectroscopic binary)。大多数情形下，一个双星系统的互绕运动平面不垂直于我们的观测方向，同一时刻这两颗恒星，在除去它们的共同运动后，相对地球的运动方向总是相反的：一颗星朝向我们运动（相应光谱蓝移）而另一颗星背离我们运动（相应光谱红移）。这样这个双星系统氢或其它某共有元素光谱的每条谱线都会随着它们的互绕运动周期性地劈裂成两条再融合成一条。该双星的环绕运动速度可以依据劈裂的大小和周期判断。对于遥远的双星或两星距离很近时,分光双星比直接观测到双星运动轨迹变化更有优势。类似的原理也被用于观测太阳系以外的行星系统。尽管行星自身不发光，但它们的引力会引起它们所环绕的远处恒星运行速度发生周期性的变化，导致其光谱周期性的频移，从而可推知这颗行星的存在和恒星的质量、轨道周期等参数。目前已发现上百个这样的行星系统，上千颗行星，包括上百颗类似地球大小的行星，其中的数颗与它们的恒星距离适中，可能有液体水存在，有可能栖息着生命。这是当前天文观测中一项热门的研究。
太阳系中除了八大行星以外还存在数以万计的小行星、彗星等小个天体，大小从数百米到数百千米不等，其中相当数量存在于火星和木星轨道之间的小行星带。由于其它大行星尤其是木星的引力作用，它们有些会离开小行星带而运行到与地球轨道相交叉的轨道上，给地球带来威胁。科学界普遍认为，在地球上盛极一时的恐龙的灭绝就是因为6500万年前一颗直径约十多千米的小行星撞击在墨西哥湾引起地球剧烈的气候变化导致的。类似的天地大冲撞如果发生在今天将会给人类文明带来毁灭性的灾难。为此人们正在建立近地小行星的数据库，预警那些可能给地球带来威胁的星体。可是小行星个头太小，自身又不发光，即使是地面上最大的光学望远镜和空间的哈勃望远镜也无法分辨小行星的个头和形状；发射飞船到每个有威胁的星体去既费时又不经济。好在人类发明了雷达天文学(Radio astronomy)，能在多普勒效应的帮助下踹摩出小行星的个头、形状以及运动状态。它的原理是：地面上的大型射电望远镜向小行星发出单一频率的短脉冲微波（类似飞机黑匣子的水下定位声波信号）并接收被小行星反射回的微波；以恒定的光速传播的微波被小行星上距离地球不同的各点反射，回波到达望远镜的时间将有不同的延迟；另一方面，通常小行星都会有绕自身某个轴的自转，结果小行星上的各点有相对地球的不同速度，于是这些回波的频率在小行星不同部位的反射下，会产生不同的频移。这样可以形成一幅时延–多普勒影像(Delay-Doppler image)，以多普勒频移为横轴，回波时延为纵轴，影像各点的明暗反应回波的强度。借以合理的几何模型，这个小行星的形状、大小和运动状态就可以完全被推测出来。世界上最大的射电望远镜，位于波多黎各的阿雷西博望远镜(Arecibo observatory)，口径达305米，曾用这项技术多次观测过不少小行星，并建立了三维模型。其中4179号小行星，推测出来的大小约4.5×2.4×1.9千米呈哑铃型，2004年曾飞临离地球仅150万千米，约地球到月球距离的四倍。它以后还会周期性地飞临地球，对人类的威胁相当大。我国嫦娥二号飞船在成功完成既定的探月任务后于2012年飞临距该小行星仅3.2千米处拍摄了分辨率达10米的照片，是人类首次如此近距离地观察小行星。雷达天文学给出的三维模型和实拍照片符合得相当好。
寻找地球以外的生命一直是人类太空探索的重要任务。液态水是已知生命存在的必要条件，因而人们对地球以外有液态水的星体尤其感兴趣。地球以外人类已知的大星体中，木卫二(Europa)和土卫二(Enceladus)已证实存在液态水。其中后者的证实得归功于多普勒效应。当前正在土星及其卫星间穿棱的卡西尼(Cassini)飞船曾多次飞越土卫二并取样分析了从它南极附近喷发出的物质，发现其中含有水，并暗示其表面冰盖下有液态水存在。如果土卫二是均匀的球体，卡西尼飞船可以在以匀速环绕土卫二的圆形轨道上飞行；如果土卫二内部不均匀，比如南极下有液态的水存在，那么由于水和组成土卫二的其它物质密度的差异，土卫二周围的引力分布将是不均匀的，这将导致卡西尼飞船的速度发生细微的变化而不再是匀速。根据多普勒效应，卡西尼飞船发回地球的无线电波频率也会随着它飞行速度的起伏而变化。目前通过多普勒效应对速度起伏的测量精度为每秒0.02～0.09毫米，而测得的卡西尼飞船的速度起伏超过每秒0.2毫米，排除非引力因素（如太阳光的影响）并结合合理的假设，就可推知在土卫二南极冰盖30～40千米以下有一层约10千米厚的液态水存在。
看到这里，你是不是也要为多普勒效应在天文观测中所作的贡献而惊叹呢？