Qualsiasi movimento verso o lontano da un osservatore immobile è chiamato velocità radiale e il movimento di qualsiasi oggetto è definito sia dalla velocità che dalla direzione. Per definire la direzione dell’oggetto, tuttavia, è necessario conoscere il quadro di riferimento dell’osservatore. Nello spazio normale, tridimensionale, l’osservatore ha un sistema di riferimento fisso, con un numero qualsiasi di oggetti che si avvicinano o si allontanano dalla sua posizione.
I pianeti in orbite per lo più circolari possiedono poca velocità radiale rispetto ai loro soli, ma per osservatori fissi, al di fuori del sistema solare, un tale pianeta cambia il suo movimento verso e lontano da loro durante la sua orbita. Si vede che il pianeta possiede due velocità radiali massime: una positiva, quando il pianeta si allontana dall’osservatore verso il lato opposto del suo sole e una negativa, quando il pianeta si allontana da dietro il suo sole verso l’osservatore. Quando gli astronomi usano i telescopi per osservare sistemi di corpi orbitanti, i dati vengono rilevati come energia elettromagnetica. Le onde di energia ricevute dai telescopi sono diverse, a seconda che l’oggetto orbitante si avvicini o si allontani dal telescopio.
Il fatto che le onde di energia degli oggetti che si spostano verso l’osservatore siano compresse e sembrino possedere una frequenza maggiore rispetto alle onde degli oggetti che si allontanano dall’osservatore è chiamato spostamento Doppler, proposto da Christian Doppler nel 1842. Ad esempio, quando i pianeti orbitano attorno a stelle lontane , li allontanano dai loro centri di gravità, facendoli avvicinare o allontanare dall’osservatore. Il leggero movimento della stella in avvicinamento o in allontanamento fa sì che il suo spettro, i colori dell’arcobaleno della sua luce, si spostino verso il blu man mano che si avvicina e verso il rosso man mano che si allontana. Usando questo metodo della velocità radiale, la tempistica del passaggio dal rosso al blu e viceversa, fornisce agli astronomi informazioni sulla massa e sul ciclo orbitale dei pianeti che orbitano attorno a stelle lontane.
Questo metodo può essere utilizzato anche in astronomia per misurare le velocità costanti delle stelle in orbita attorno a galassie distanti quando sono viste di taglio. La luce o le onde radio ricevute dalle stelle che si spostano verso il telescopio si spostano verso frequenze più alte, mentre la luce o le onde radio provenienti dalle stelle che si allontanano dal telescopio si spostano verso lunghezze d’onda a frequenza più bassa. L’entità dello spostamento indica sia la velocità relativa delle stelle rispetto all’osservatore, sia la velocità angolare delle stelle in orbita attorno alla galassia.
Le previsioni del tempo sono state notevolmente aiutate dalle mappe della velocità radiale misurate dal radar meteorologico Doppler. Proprio come la velocità radiale registrata per una galassia rotante mostra la rotazione tramite lo spostamento rosso e blu delle onde luminose, il cambiamento nella frequenza delle onde radio indica il movimento rotatorio in tempeste come cicloni, uragani e tornado. I meteorologi possono emettere avvisi di tornado in anticipo quando vedono lo spostamento Doppler nei sistemi meteorologici severi.
Lo spostamento Doppler, o metodo della velocità radiale, può essere utilizzato su qualsiasi corpo o sistema di corpi che sono in orbita o vibrano attorno a un centro comune. Sia gli oggetti celesti che i modelli meteorologici mostrano uno spostamento verso il rosso o uno spostamento verso il blu, a seconda che gli oggetti si avvicinino o si allontanino dall’osservatore nella direzione radiale. Il limite superiore della velocità radiale è stato descritto da Albert Einstein come la velocità della luce nel vuoto e la sua teoria della relatività speciale si applica a questa linea di vista diretta, movimento radiale.