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

        多普勒效應(yīng)是指，如果信號(hào)源和信號(hào)接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么接收端接收到的信號(hào)頻率將發(fā)生變化：兩者相向運(yùn)動(dòng)則頻率增加，反向運(yùn)動(dòng)則頻率降低。對(duì) 聲波的多普勒效應(yīng)我們都有體會(huì)，比如呼嘯而過(guò)的火車(chē)，當(dāng)火車(chē)駛近觀測(cè)者時(shí)鳴笛聲波頻率增加，音調(diào)變高；火車(chē)駛過(guò)觀測(cè)者后，火車(chē)和觀測(cè)者之間的相向運(yùn)動(dòng)突然 變?yōu)榉聪蜻\(yùn)動(dòng)，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(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲源發(fā)出的聲波波長(zhǎng)被壓縮；還是觀測(cè)者向靜止的聲源運(yùn)動(dòng)，聲速增加； 因?yàn)轭l率＝聲速/波長(zhǎng)，所以只要兩者相向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果都是頻率增加。因此，通過(guò)聲波頻率的變化，可以計(jì)算出聲源相對(duì)于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度。無(wú)線電、光等電磁波 也有類(lèi)似的多普勒效應(yīng)，但因?yàn)殡姶挪ㄒ怨馑賯鞑o(wú)需媒介，需要考慮相對(duì)論效應(yīng)，所以具體的頻率變化和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系與聲波有些不同。

        生活中應(yīng)用多普勒效應(yīng)的例子很多：交通警察用這個(gè)原理來(lái)測(cè)量車(chē)輛是否超速；醫(yī)療上用的彩超通過(guò)它測(cè)出血管里血液流動(dòng)的方向，再用不同顏色顯示出來(lái)， 幫助分辨動(dòng)脈靜脈以診斷血管病變等；氣象雷達(dá)可以利用它測(cè)出云層的運(yùn)動(dòng)速度；天文觀測(cè)上，通過(guò)多普勒效應(yīng)得到遠(yuǎn)處天體和地球上的觀測(cè)者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 顯得特別有意義，尤其是太陽(yáng)系以外遙遠(yuǎn)的天體，它們?cè)诘厍蛏系挠^測(cè)者看來(lái)幾乎就是恒定不動(dòng)的，很難直接看到它們的運(yùn)動(dòng)情況。

        根據(jù)上面的原理，要利用多普勒效應(yīng)測(cè)量遙遠(yuǎn)天體和我們的相對(duì)速度，必須先知道作為信號(hào)源的天體所發(fā)出的信號(hào)原本的頻率。那么，怎么才能得知這個(gè)原本 的頻率呢？天體物理學(xué)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(shí)，某些頻率的光會(huì)被大氣中的元素所吸收，從而在該恒星光譜與這些元素對(duì)應(yīng) 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(cè)出。通過(guò)對(duì)這些頻率分布的分析，就可以識(shí)別和反推 恒星大氣的元素構(gòu)成。例如元素周期表第二號(hào)元素氦，就是通過(guò)研究日全食時(shí)日珥（太陽(yáng)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(yáng)中。

多普勒效應(yīng)：天文觀測(cè)的有力手段

        天文學(xué)家在研究天體光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)處星體上那些元素發(fā)出的光譜譜線，其絕對(duì)位置和地球?qū)嶒?yàn)室內(nèi)測(cè)得的同一元素相比，往往有整體的移動(dòng)。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(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)多普勒效應(yīng)，如果星體朝著地球運(yùn)動(dòng)，光譜線就會(huì)整體向高頻端移動(dòng)，那么可見(jiàn)光里的藍(lán)光會(huì)有比較高的頻 率，紅光會(huì)有比較低的頻率；這種移動(dòng)因此而被天文學(xué)家稱(chēng)作藍(lán)移；相反，如果星體背離地球運(yùn)動(dòng)，光譜線就會(huì)整體向低頻端移動(dòng)，稱(chēng)作紅移。根據(jù)光譜移動(dòng)的方向 和大小可以推算出被測(cè)星體相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)的方向和速度。

紅移和藍(lán)移

        上世紀(jì)二十年代美國(guó)天文學(xué)家哈勃（Hubble）觀測(cè)到一個(gè)令人震驚的現(xiàn)象——遙遠(yuǎn)星體的光譜都是紅移的，而且離地球越遠(yuǎn)紅移量越大。利用多普勒效 應(yīng)換算成相對(duì)速度后，他發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)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(cè)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(gè)點(diǎn)開(kāi)始不斷膨脹達(dá)到今天的大小的。這是為宇宙大爆炸模型給出的第一個(gè)證據(jù)。后來(lái)，人們又觀測(cè)到宇宙微波背景輻射等其它強(qiáng)有力的證 據(jù)，促使這一模型成為當(dāng)今科學(xué)界唯一公認(rèn)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(jiàn)的恒星系統(tǒng)，也是天文學(xué)上很喜歡研究的天體系統(tǒng)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)雙星繞行的觀測(cè)，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(gè)很暗的伴星，這是當(dāng)年觀測(cè)到天狼星波浪狀的運(yùn)行軌跡時(shí)發(fā)現(xiàn)的。另有許多雙星系統(tǒng)是通過(guò)研究它們的光譜頻率有周 期性的漂移而發(fā)現(xiàn)的，被稱(chēng)為分光雙星（Spectroscopic binary）。

（雙星系統(tǒng))

        大多數(shù)情形下，一個(gè)雙星系統(tǒng)的互繞運(yùn)動(dòng)平面并不垂直于我們的觀測(cè)方向，同一時(shí)刻的這兩顆恒星，在除去它們的共同運(yùn)動(dòng)后，相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)方向總是相反 的：一顆星朝向我們運(yùn)動(dòng)（相應(yīng)光譜藍(lán)移），而另一顆星背離我們運(yùn)動(dòng)（相應(yīng)光譜紅移）。這樣一來(lái)，這個(gè)雙星系統(tǒng)中的氫或其他共有元素光譜中，每條譜線都會(huì)因 為它們的互繞運(yùn)動(dòng)而周期性地劈裂成兩條再融合成一條。該雙星的環(huán)繞運(yùn)動(dòng)速度可以依據(jù)譜線劈裂的大小和周期來(lái)判斷。對(duì)于過(guò)于遙遠(yuǎn)的雙星或兩星距離很近時(shí),觀 測(cè)分光雙星比直接觀測(cè)雙星運(yùn)動(dòng)軌跡變化更有優(yōu)勢(shì)。類(lèi)似的原理也被用于觀測(cè)太陽(yáng)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(huì)引起它們所環(huán)繞的恒星 運(yùn)行速度發(fā)生周期性變化，導(dǎo)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(gè)這樣的行星系統(tǒng)、上千顆行 星，包括上百顆類(lèi)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(dāng)前天文觀測(cè)中的一項(xiàng)熱門(mén)研究。

        太陽(yáng)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(gè)天體，大小從數(shù)百米到數(shù)百千米不等，其中相當(dāng)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(huì)離開(kāi)小行星帶運(yùn)行到與地球軌道相交叉的軌道上，給地球帶來(lái)威脅?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，在地球上盛極一時(shí)的 恐龍的滅絕，就是因?yàn)?500萬(wàn)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(dǎo)致的。類(lèi)似的天地大沖撞如果發(fā)生在今天，將會(huì)給 人類(lèi)文明帶來(lái)毀滅性的災(zāi)難。為此，人們正在建立近地小行星數(shù)據(jù)庫(kù)，預(yù)警那些可能給地球帶來(lái)威脅的星體。可是小行星個(gè)頭太小，自身又不發(fā)光，連地面上最大的 光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和位于外層空間的哈勃望遠(yuǎn)鏡也無(wú)法分辨小行星的個(gè)頭和形狀；發(fā)射飛船到每個(gè)有威脅的星體去既費(fèi)時(shí)又不經(jīng)濟(jì)。

        好在人類(lèi)創(chuàng)建了雷達(dá)天文學(xué)（Radio astronomy），能在多普勒效應(yīng)的幫助下揣摩出小行星的個(gè)頭、形狀以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它的方法是：地面上的大型射電望遠(yuǎn)鏡向小行星發(fā)出單一頻率的短脈沖 微波（類(lèi)似飛機(jī)黑匣子的水下定位聲波信號(hào)），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(diǎn)反射，回波到達(dá) 望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間將有不同的延遲；另一方面，通常小行星都會(huì)有繞自身某個(gè)軸的自轉(zhuǎn)，小行星上的各點(diǎn)有相對(duì)地球的不同運(yùn)動(dòng)速度，于是這些回波的頻率在小行星不同 部位的反射下，會(huì)產(chǎn)生不同的頻移。這樣可以形成一幅時(shí)延–多普勒影像（Delay-Doppler image）——以多普勒頻移為橫軸，回波時(shí)延為縱軸——影像各點(diǎn)的明暗反應(yīng)回波的強(qiáng)度。

        借助于合理的幾何模型，這個(gè)小行星的形狀、大小和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就可以完全被推測(cè)出來(lái)。世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，位于波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡 （Arecibo observatory)），口徑達(dá)305米，曾用這項(xiàng)技術(shù)多次觀測(cè)過(guò)不少小行星，并建立了三維模型。其中4179號(hào)小行星“圖塔蒂斯”，推測(cè)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(shí)候僅150萬(wàn)千米，約為地球到月球距離的四倍。從天文學(xué)的角度來(lái)看，這個(gè)距 離已經(jīng)是非常接近了；它以后還會(huì)周期性地飛臨地球，對(duì)人類(lèi)的威脅相當(dāng)大。我國(guó)嫦娥二號(hào)探測(cè)器在成功完成既定的探月任務(wù)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(dá)10米的照片，這是人類(lèi)首次如此近距離地觀察小行星。雷達(dá)天文學(xué)給出的三維模型和實(shí)拍照片符合得相當(dāng)好。

小行星間隔成像照片

        尋找地球以外的生命一直是人類(lèi)太空探索的重要任務(wù)。液態(tài)水是已知生命存在的必要條件，因而人們對(duì)地球以外有液態(tài)水的星體尤其感興趣。地球以外人類(lèi)已 知的大星體中，木衛(wèi)二（Europa）和土衛(wèi)二（Enceladus）已證實(shí)存在液態(tài)水，后者的證實(shí)得歸功于多普勒效應(yīng)。當(dāng)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?chē)囊Ψ植紝⑹遣痪鶆虻?，這將導(dǎo)致卡西尼飛船的速度發(fā)生細(xì)微的變化而不再是勻速；根據(jù)多普勒效應(yīng)，卡西尼飛船發(fā)回地球的無(wú)線電波頻率也會(huì) 隨著它飛行速度的起伏而變化。目前通過(guò)多普勒效應(yīng)對(duì)速度起伏的測(cè)量精度為0.02-0.09mm/s，而測(cè)得的卡西尼飛船的速度起伏超過(guò)0.2mm/s， 排除非引力因素（如太陽(yáng)光的影響）并結(jié)合合理的假設(shè)，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(yīng)在天文觀測(cè)中所作的貢獻(xiàn)而驚嘆呢？