恒星的运动

叶飞

战国时期，古人制造出一种类似现代赤道坐标仪的仪器来测量恒星的位置，研究恒星的运动。西汉时期，落下闳发明了浑仪，以此来测量天体的位置。在西方，托勒密与哈雷等人在坚持不懈地对恒星进行了大量观测的基础上，发现天狼星、南河三和大角星等恒星的位置相较之前都有了明显的变化。

视向速度、切向速度示意图

我们观测到的恒星运动实际上是恒星相对于地球的运动，比如我们先观测记录恒星在夜空中的位置，然后过一个小时再观测一次，那么除了北极星，我们会看到夜空中其他恒星都变了位置。这样的变化是地球自转造成的，地球自西向东转动使得恒星看起来像是自东向西运动一般。如果除去地球的自转和公转，恒星相对于太阳的运动就被称为“恒星的空间运动”。

既然确定恒星在空间中运动，那么它的运动速度是多少呢？恒星的空间运动速度可分为切向速度分量和视向速度分量。恒星垂直于视线方向上的速度被称为切向速度，朝向视线方向的速度则被称为视向速度。恒星的视向速度可以根据恒星光谱中谱线的多普勒位移测得。

由著名的奥地利物理学家多普勒提出的多普勒效应指出：波在波源移向观测者时频率变高，而在波源远离观测者时频率变低，这种位移现象就被称为多普勒位移。多普勒效应不仅可以应用在天文学上，它还被广泛应用于光学、气象学、医学诊断和日常生活等诸多方面。

多普勒效应示意图

1842年，多普勒路过铁路交叉口时，一列火车从他身旁飞驰而过。他注意到一個日常生活中常见的现象，即火车由远及近行驶时，汽笛声会随之逐渐变响，音调变高;而火车驶离时，汽笛声则由强变弱，音调变低。他对这个现象产生了极大的兴趣，立即回家研究起来。很快，他便发现这个现象产生的原因是振源与观测者之间存在着相对运动，使观测者听到的声音频率不同于振源频率，也就是所谓的频移现象。简单来说，就是当声源远离观测者时，声波的波长会增加，音调变得低沉;当声源接近观测者时，声波的波长则减小，音调就变高了。

蓝移、红移示意图

不只声波，具有波动性的光也同样会产生多普勒效应。当时多普勒提出这一理论主要是为了解释双星的子星和变星的颜色、大小问题，因为他相信这些参数无一例外都会受天体沿视线方向运动的影响。具体来说，就是一个发光物体的运动必然会导致光的颜色和频率的变化——如果它在靠近，光的频率就在增加，颜色会从白变绿，再变蓝，最后变成紫色，在这个过程中，恒星的光谱线波长变短，这样的现象被称作“蓝移”;如果它远去，光的频率则会减弱，颜色会从白变黄，再变橙，最终变成红色，所以有些天体呈红色，是因为它们正离我们远去，在它远离的过程中，光波会越来越长，这个现象就被称为“红移”。所以，红移或蓝移现象准确来说并不是指颜色变红或变蓝，而是指光线频率的改变。如果发光物体本身已经具备了某种颜色，那么它的变色就会从本身颜色开始，如黄色物体的变色过程就是由黄变橙，最终变成红色。

当然，我们不能说只要是发红光的星星都是离我们远去的。恒星之所以有不同的颜色，还取决于它的表面温度，或者说不同恒星有不同的光谱型号。多普勒效应不会影响恒星本身的颜色。

多普勒

最早利用多普勒效应测得恒星视向速度的人是英国天文学家哈根斯，他在1868年测出天狼星某一波长的谱线向红光方向移动，从而推算出天狼星正以大约每秒47千米的速度离我们而去。这也是人们第一次利用光的多普勒效应测出恒星的视向速度。

在哈根斯之后，美国天文学家莫里于1889年拍摄了大熊座ζ星的光谱。这颗星星的中文名字叫作开阳星，是北斗七星中的第六颗星。这颗星实际上是一颗目视双星，较亮的那颗被称为开阳A星，较暗的那颗被称为“辅”。莫里发现开阳星的光谱谱线是双重的，并且双重谱线会周期性地分开、靠近、交叠、再分开……于是，他推测开阳星是一个双星系统，它们在相互绕转，而光谱谱线交替出现红移和蓝移现象，是因为它们在交替地接近或远离我们。

开阳双星

在对恒星光谱的研究中，产生了众多光谱学家，德国光谱学家沃格尔和美国光谱学家皮克林通过对比一些恒星光谱中的暗线位置，发现了一个有趣的现象：谱线在周期性地摇摆。他们能想到的唯一解释就是这种恒星与另一颗离它很近的天体在相互绕转。

在浩瀚的银河系中，像上述提到的“双星”非常多，双星的颜色也是丰富多彩的，它们的存在为我们揭示了恒星世界的一些奥秘。然而，在对双星颜色的研究上，多普勒效应发挥了巨大的作用。

哈根斯

在这些天体的运动中，我们可以通过多普勒效应探知它们运动的概况，比如速度和距离。1891年，沃格尔将金星光谱中的谱线位移和金星已知轨道做比较，从反射光的天体确定了多普勒效应的正确性。此后，多普勒效应很快便被应用到星体运动的研究中，比如双星在相互绕转时，会产生不断变化的蓝移或红移。

太阳距离银河系中心约有2万光年，它带领着太阳系大家族绕着银河中心做圆轨道运动，周期大约为2.5亿年。不仅如此，银河系内的其他恒星也与太阳一样，一边绕着银河系中心转动，一边进行自己固有的运动。根据观测发现，太阳正在以每秒19.7千米的速度，朝武仙座缓慢移动。不过不用担心，恒星之间的距离非常遥远，所以不管它们怎么动，碰撞的可能性都很小。

我们看到，宇宙万物既神秘，又遵循着一定的规则。卫星绕着行星转，行星绕着恒星转，恒星绕着星系中心转，那星系绕着什么转呢？带着这个未知，大家一起来探索吧！

恒星运动轨迹