恒星的运动
除了不停地自行之外，恒星也和其他天体一样在不停自转。人们通过观测恒星光谱吸收线的宽度发现了其自转运动。不同类型的恒星自转速度不同。下面是不同光谱型的主序星平均自转速度。
依照上面所说，恒定一面自行，一面自转，所以最终得出的结果就是，恒星的空间运动的方向是多种多样的，它们有的向西，有的向东，有的远离太阳，有的接近太阳。在研究工作中，一般把恒星的空间速度分成两个分量：一个在视线方向，称为视向速度，以V-r表示；另一个与视线方向垂直，称为切向速度，以V-t表示。
视向速度可根据物理学中的多普勒效应原理，通过测定恒星谱线位移量求得。切向速度可由观测恒星的自行求得。恒星的自行代表恒星在空间的横向运动，如果已知恒星距离，便可根据测得的自行量得到恒星的切向速度(图3-3)。恒星的视向速度是非常重要的，因为正是它导致了现今流行很广的宇宙大爆炸理论。下面我们详细介绍恒星视向速度。
恒星视向速度
虽然自行的概念可以追溯到埃德蒙·哈雷发现它的1718年，视向速度则要晚得多才进入天文学家的武器库。
一直要等到1888年才得到第一批可靠的视向速度，那年德国天文学家赫尔曼·佛盖尔和尤利乌斯·施安内把照相术用于光谱观测，将一些亮星的多普勒位移拍摄在照相底片上，供以后进行分析。此后，视向速度的测量工作主要转移到了同年在美国加利福尼亚州汉密尔顿山揭幕的利克天文台。20世纪头30年，主要通过威廉·坎贝尔的努力，利克天文台的天文学家们测量了大部分肉眼可见恒星的视向速度。同雅各布·卡普坦一样，坎贝尔喜欢拥有大量数据，懂得全面研究银河系将需要尽可能多的恒星的视向速度。为了完成这个任务，坎贝尔的同事威廉·莱特前往智利建立了一个天文台，以便测量从加利福尼亚州看不见的远在南部天空的恒星的视向速度。
这项工作极大地推进了对银河系的认识，因为它能够画出新的银河系肖像。以前，天文学家绘制银河系图时，只是在研究银河系的结构；而现在，他们利用新的数据已经能够考察银河系的运动学，即银河系中恒星的运动。结构和运动学两者相结合，将给天文学家以新的领悟力来探索银河系，犹如歌词配以旋律比单用歌词或旋律更加丰满和难忘。例如，1918年沙普利发表了一幅将银河系造父变星的位置与天琴座RR型星的位置进行对比的图，这两类变星都是脉动变星，但比较亮的造父变星紧靠银道面，而天琴座RR型星散开在它的两边。沙普利正确指出，造父变星系统和天琴座RR型星系统的不同结构起因于它们不同的运动特性：造父变星的速度低而维持在银道面附近，天琴座RR型星的速度高而迁移到了远离银道面的两边。银河系的结构源于运动学，而运动学也源于结构。运动和结构紧密联系在一起，只有对于运动特性认识清楚之后，我们才有可能自信地说我们认识了一个星系。从这个意义上说，恒星的视向速度尤其重要。恒星的视向运动引起的一个重要现象就是恒星的多普勒频移，下面详细介绍。
多普勒频移
当我们把恒星谱线的波长和地上光源的波长加以比较的时候，我们时常觉察到，这些波长之间有着系统的差异，不是都太短，便是都太长。这效应的原因于1842年经多普勒，1848年经费索(Fizeau)加以说明。费索将多普勒在声音上发现的效应应用于光谱上，所以有人把这种效应叫做多普勒—费索效应。
这种效应是一种很普遍的现象，它说明运动中波源的视频率的变化。大家都知道下面这个常见的事实：火车从我们旁边驶过的时候，它所发出的哨声由尖锐而变为低沉。我们所听见的声音，火车来时，频率变高，去时变低。为使读者明白这个现象，我们再作一个比喻：设想有一架静止的机器，每秒钟发出10万颗弹丸，一个静止的观测者当然每秒钟也只能接收得10万颗弹丸。如果这位观测者向弹丸的发射处跑去，因为他去迎接弹丸，显然在每秒钟里他会多接收几颗弹丸。用术语表达，即来源的视频率变高。我们再用数字来说明，以便更清楚一些。假使弹丸的速度等于光的速度，即每秒为30万千米，每秒钟机器所发出的10万颗弹丸将分布在30万千米的路程上，于是每3千米内有一弹丸。如果观测者的速度是每秒30千米，他就会多接收一些分布在这30千米上的弹丸，即多接收10颗弹丸。于是，视频率将是100 000+10，频率的相对增高率是万分之一，这也是每秒30千米的速度和光的速度(30万千米／秒)之比。我们所关心的速度是相对速度，所以不必分辨波源和观测者究竟各有多大的速度。我们把这效应只当作一种实验的结果，其实在相对论里有它的理论解释。
多普勒—费索效应(或叫做原则)可以这样叙述：当光源和观测者有相对运动的时候，频率所产生的相对增高量等于观测者接近光源的速度与光线的速度之比。
对应到恒星的运动，即恒星谱线移动的多少是取决于恒星趋近或离开我们的速度大小。由于整个光谱全都受到挤压或拉伸，那些特征谱线，例如钠线，所出现的波长会向红端或蓝端移动，移动量取决于恒星沿视线方向的运动速度。于是，通过测量那些熟悉的谱线在恒星光谱中出现的精确位置，并与同种谱线在地球上实验室光源的光谱中的波长作比较，天文学家就能推断该恒星是在朝向还是背离我们运动，是以多大速度运动。
多普勒效应挤压由趋近观测者的物体发出的光波，拉伸由退行物体发出的光波。圆圈表示该物体在各个标号地点发出的光波。虽然光在所有方向都以同样速度传播，但是，在光源运动方向上圆圈却被挤拢了。图中1为物体运动的起始点，4为运动的最终位置。从图中可以看出，右侧的观测者看到的光波波长变长，即发生红移；左侧的观测者看到的光波波长变短，即发生蓝移。
是一个恒星光谱多普勒频移的实例，它表示的是一个X射线源绕一颗星作轨道运动时，有时向我们接近，有时背我们远去，X射线闪光的频率也就显得在变高变低。
(1)某一恒星本来的光谱。(2)该星运动向我们而来时光谱线位移的示意图。所有的谱线都向左方即紫端，向频率增高的方向偏移，黑底白色虚线和箭头都标出这种情况。(3)该星运动远离我们而去时的谱线位移，移向红端。