多普勒效應（Doppler effect）這一普遍的物理現(xiàn)象，在尋找馬航失聯(lián)客機中大出風頭。專業(yè)人員利用這個效應，從極為有限的數(shù)個飛機和海事衛(wèi)星的自動握手信號頻率微小的變化 中，分析出飛機的飛行方向，并結(jié)合合理假設的飛機飛行參數(shù)，判斷出了飛機墜海的大致區(qū)域，成為目前尋覓飛機下落最重要的線索。多普勒效應在天文上的應用更 為廣泛，是許多天文觀測不可缺少的手段。

        多普勒效應是指，如果信號源和信號接收器之間有相對運動，那么接收端接收到的信號頻率將發(fā)生變化：兩者相向運動則頻率增加，反向運動則頻率降低。對 聲波的多普勒效應我們都有體會，比如呼嘯而過的火車，當火車駛近觀測者時鳴笛聲波頻率增加，音調(diào)變高；火車駛過觀測者后，火車和觀測者之間的相向運動突然 變?yōu)榉聪蜻\動，鳴笛聲波頻率驟然降低，音調(diào)變低沉。不論是聲源向靜止的觀測者運動時，聲源發(fā)出的聲波波長被壓縮；還是觀測者向靜止的聲源運動，聲速增加； 因為頻率＝聲速/波長，所以只要兩者相向運動，結(jié)果都是頻率增加。因此，通過聲波頻率的變化，可以計算出聲源相對于觀測者的運動速度。無線電、光等電磁波 也有類似的多普勒效應，但因為電磁波以光速傳播無需媒介，需要考慮相對論效應，所以具體的頻率變化和相對運動速度的關(guān)系與聲波有些不同。

        生活中應用多普勒效應的例子很多：交通警察用這個原理來測量車輛是否超速；醫(yī)療上用的彩超通過它測出血管里血液流動的方向，再用不同顏色顯示出來， 幫助分辨動脈靜脈以診斷血管病變等；氣象雷達可以利用它測出云層的運動速度；天文觀測上，通過多普勒效應得到遠處天體和地球上的觀測者之間的相對運動速度 顯得特別有意義，尤其是太陽系以外遙遠的天體，它們在地球上的觀測者看來幾乎就是恒定不動的，很難直接看到它們的運動情況。

        根據(jù)上面的原理，要利用多普勒效應測量遙遠天體和我們的相對速度，必須先知道作為信號源的天體所發(fā)出的信號原本的頻率。那么，怎么才能得知這個原本 的頻率呢？天體物理學告訴我們，恒星表面發(fā)出的連續(xù)頻率的光在穿越它們自身大氣時，某些頻率的光會被大氣中的元素所吸收，從而在該恒星光譜與這些元素對應 的特征頻率位置上形成暗線；或者恒星表面的高溫等離子體本身就能發(fā)出所含元素特征頻率的光，被光譜儀檢測出。通過對這些頻率分布的分析，就可以識別和反推 恒星大氣的元素構(gòu)成。例如元素周期表第二號元素氦，就是通過研究日全食時日珥（太陽表面噴出的高溫等離子體）的未知光譜首次發(fā)現(xiàn)的。氦只稀少地存在于地球 巖層里，卻廣泛存在于太陽中。

多普勒效應：天文觀測的有力手段

        天文學家在研究天體光譜時發(fā)現(xiàn)，遠處星體上那些元素發(fā)出的光譜譜線，其絕對位置和地球?qū)嶒炇覂?nèi)測得的同一元素相比，往往有整體的移動。我們很容易據(jù) 此想到，最主要的原因就是星體和地球有相對運動。根據(jù)多普勒效應，如果星體朝著地球運動，光譜線就會整體向高頻端移動，那么可見光里的藍光會有比較高的頻 率，紅光會有比較低的頻率；這種移動因此而被天文學家稱作藍移；相反，如果星體背離地球運動，光譜線就會整體向低頻端移動，稱作紅移。根據(jù)光譜移動的方向 和大小可以推算出被測星體相對地球運動的方向和速度。

紅移和藍移

        上世紀二十年代美國天文學家哈勃（Hubble）觀測到一個令人震驚的現(xiàn)象——遙遠星體的光譜都是紅移的，而且離地球越遠紅移量越大。利用多普勒效 應換算成相對速度后，他發(fā)現(xiàn)遙遠的星體離我們而去的速度與它們離我們的距離成正比，這表明宇宙正在膨脹。如果用觀測到的速度距離關(guān)系反推，可以算出宇宙的 年齡，并暗示宇宙是從一個點開始不斷膨脹達到今天的大小的。這是為宇宙大爆炸模型給出的第一個證據(jù)。后來，人們又觀測到宇宙微波背景輻射等其它強有力的證 據(jù)，促使這一模型成為當今科學界唯一公認的宇宙模型。

        兩顆恒星相互繞行形成的雙星系統(tǒng)（Binary star），是宇宙中很常見的恒星系統(tǒng)，也是天文學上很喜歡研究的天體系統(tǒng)。因為通過對雙星繞行的觀測，可以得到恒星的質(zhì)量等參數(shù)，還可以幫助揭示恒星的 形成和演化。夜晚最明亮的恒星天狼星就有一個很暗的伴星，這是當年觀測到天狼星波浪狀的運行軌跡時發(fā)現(xiàn)的。另有許多雙星系統(tǒng)是通過研究它們的光譜頻率有周 期性的漂移而發(fā)現(xiàn)的，被稱為分光雙星（Spectroscopic binary）。

（雙星系統(tǒng))

        大多數(shù)情形下，一個雙星系統(tǒng)的互繞運動平面并不垂直于我們的觀測方向，同一時刻的這兩顆恒星，在除去它們的共同運動后，相對地球的運動方向總是相反 的：一顆星朝向我們運動（相應光譜藍移），而另一顆星背離我們運動（相應光譜紅移）。這樣一來，這個雙星系統(tǒng)中的氫或其他共有元素光譜中，每條譜線都會因 為它們的互繞運動而周期性地劈裂成兩條再融合成一條。該雙星的環(huán)繞運動速度可以依據(jù)譜線劈裂的大小和周期來判斷。對于過于遙遠的雙星或兩星距離很近時,觀 測分光雙星比直接觀測雙星運動軌跡變化更有優(yōu)勢。類似的原理也被用于觀測太陽系以外的行星系統(tǒng)。盡管行星自身不發(fā)光，但它們的引力會引起它們所環(huán)繞的恒星 運行速度發(fā)生周期性變化，導致其光譜發(fā)生周期性的頻移，從而推知這顆行星的存在和恒星的質(zhì)量、軌道周期等參數(shù)。目前已發(fā)現(xiàn)上百個這樣的行星系統(tǒng)、上千顆行 星，包括上百顆類似地球大小的行星，其中的數(shù)顆與它們的恒星距離適中，可能有液體水存在，有可能棲息著生命。這是當前天文觀測中的一項熱門研究。

        太陽系中除了八大行星以外還存在數(shù)不勝數(shù)的小行星、彗星等小個天體，大小從數(shù)百米到數(shù)百千米不等，其中相當數(shù)量存在于火星和木星軌道之間的小行星 帶。由于其他大行星尤其是木星的引力作用，它們有些會離開小行星帶運行到與地球軌道相交叉的軌道上，給地球帶來威脅?？茖W界普遍認為，在地球上盛極一時的 恐龍的滅絕，就是因為6500萬年前一顆直徑約十多千米的小行星撞擊在墨西哥灣，引起地球劇烈的氣候變化導致的。類似的天地大沖撞如果發(fā)生在今天，將會給 人類文明帶來毀滅性的災難。為此，人們正在建立近地小行星數(shù)據(jù)庫，預警那些可能給地球帶來威脅的星體?？墒切⌒行莻€頭太小，自身又不發(fā)光，連地面上最大的 光學望遠鏡和位于外層空間的哈勃望遠鏡也無法分辨小行星的個頭和形狀；發(fā)射飛船到每個有威脅的星體去既費時又不經(jīng)濟。

        好在人類創(chuàng)建了雷達天文學（Radio astronomy），能在多普勒效應的幫助下揣摩出小行星的個頭、形狀以及運動狀態(tài)。它的方法是：地面上的大型射電望遠鏡向小行星發(fā)出單一頻率的短脈沖 微波（類似飛機黑匣子的水下定位聲波信號），并接收被小行星反射回的微波。一方面，以恒定的光速傳播的微波，被小行星上距離地球不同的各點反射，回波到達 望遠鏡的時間將有不同的延遲；另一方面，通常小行星都會有繞自身某個軸的自轉(zhuǎn)，小行星上的各點有相對地球的不同運動速度，于是這些回波的頻率在小行星不同 部位的反射下，會產(chǎn)生不同的頻移。這樣可以形成一幅時延–多普勒影像（Delay-Doppler image）——以多普勒頻移為橫軸，回波時延為縱軸——影像各點的明暗反應回波的強度。

        借助于合理的幾何模型，這個小行星的形狀、大小和運動狀態(tài)就可以完全被推測出來。世界上最大的射電望遠鏡，位于波多黎各的阿雷西博望遠鏡 （Arecibo observatory)），口徑達305米，曾用這項技術(shù)多次觀測過不少小行星，并建立了三維模型。其中4179號小行星“圖塔蒂斯”，推測約 4.5×2.4×1.9千米呈啞鈴型，2004年曾飛臨地球，距離地球最近的時候僅150萬千米，約為地球到月球距離的四倍。從天文學的角度來看，這個距 離已經(jīng)是非常接近了；它以后還會周期性地飛臨地球，對人類的威脅相當大。我國嫦娥二號探測器在成功完成既定的探月任務后，曾于2012年12月13日飛臨 該小行星，在距離它僅3.2千米處拍攝了分辨率達10米的照片，這是人類首次如此近距離地觀察小行星。雷達天文學給出的三維模型和實拍照片符合得相當好。

小行星間隔成像照片

        尋找地球以外的生命一直是人類太空探索的重要任務。液態(tài)水是已知生命存在的必要條件，因而人們對地球以外有液態(tài)水的星體尤其感興趣。地球以外人類已 知的大星體中，木衛(wèi)二（Europa）和土衛(wèi)二（Enceladus）已證實存在液態(tài)水，后者的證實得歸功于多普勒效應。當前正在土星及其衛(wèi)星間穿棱的卡 西尼（Cassini）飛船曾多次飛越土衛(wèi)二并取樣分析了從它南極附近噴發(fā)出的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其中含有水，并暗示其表面冰蓋下有液態(tài)水存在。如果土衛(wèi)二是均勻 的球體，卡西尼飛船可以以勻速在環(huán)繞土衛(wèi)二的圓形軌道上飛行。如果土衛(wèi)二內(nèi)部不均勻，比如南極下有液態(tài)的水存在，那么由于水和組成土衛(wèi)二的其他物質(zhì)密度的 差異，土衛(wèi)二周圍的引力分布將是不均勻的，這將導致卡西尼飛船的速度發(fā)生細微的變化而不再是勻速；根據(jù)多普勒效應，卡西尼飛船發(fā)回地球的無線電波頻率也會 隨著它飛行速度的起伏而變化。目前通過多普勒效應對速度起伏的測量精度為0.02-0.09mm/s，而測得的卡西尼飛船的速度起伏超過0.2mm/s， 排除非引力因素（如太陽光的影響）并結(jié)合合理的假設，就可推知在土衛(wèi)二南極冰蓋30-40km以下有一層約10km厚的液態(tài)水存在。

        看到這里，你是不是也要為多普勒效應在天文觀測中所作的貢獻而驚嘆呢？