Tout mouvement vers ou loin d’un observateur immobile est appelé vitesse radiale, et le mouvement de tout objet est défini à la fois par la vitesse et la direction. Pour définir la direction de l’objet, cependant, le cadre de référence de l’observateur doit être connu. Dans un espace tridimensionnel normal, l’observateur a un cadre de référence fixe, avec un nombre quelconque d’objets se déplaçant vers ou s’éloignant de son emplacement.
Les planètes sur des orbites principalement circulaires possèdent une faible vitesse radiale par rapport à leurs soleils, mais pour les observateurs fixes, en dehors du système solaire, une telle planète change de mouvement vers et loin d’eux tout au long de son orbite. On voit que la planète possède deux vitesses radiales maximales : une positive, lorsque la planète s’éloigne de l’observateur vers l’autre côté de son soleil et une négative, lorsque la planète se déplace de derrière son soleil vers l’observateur. Lorsque les astronomes utilisent des télescopes pour observer des systèmes de corps en orbite, les données sont détectées sous forme d’énergie électromagnétique. Les ondes d’énergie reçues par les télescopes sont différentes selon que l’objet en orbite se rapproche ou s’éloigne de la lunette.
Le fait que les ondes énergétiques des objets se déplaçant vers l’observateur soient compressées et semblent posséder une fréquence plus élevée que les ondes des objets s’éloignant de l’observateur est appelée le décalage Doppler, proposé par Christian Doppler en 1842. Par exemple, lorsque les planètes tournent autour d’étoiles lointaines , ils les éloignent de leurs centres de gravité, les faisant se rapprocher ou s’éloigner de l’observateur. Le léger mouvement de l’étoile vers ou vers l’extérieur fait que son spectre, les couleurs arc-en-ciel de sa lumière, se déplacent vers le bleu lorsqu’elle se rapproche et vers le rouge lorsqu’elle s’éloigne. En utilisant cette méthode de vitesse radiale, le moment du passage du rouge au bleu et inversement, donne aux astronomes des informations sur la masse et le cycle orbital des planètes en orbite autour d’étoiles lointaines.
Cette méthode peut également être utilisée en astronomie pour mesurer les vitesses constantes des étoiles en orbite autour de galaxies lointaines lorsqu’elles sont vues par le bord. La lumière ou les ondes radio reçues des étoiles se déplaçant vers le télescope se déplacent vers des fréquences plus élevées, tandis que la lumière ou les ondes radio des étoiles s’éloignant du télescope se déplacent vers des longueurs d’onde de fréquence inférieure. La quantité de décalage indique à la fois la vitesse relative des étoiles par rapport à l’observateur et la vitesse angulaire des étoiles en orbite autour de la galaxie.
Les prévisions météorologiques ont été grandement facilitées par les cartes de vitesse radiale mesurées par le radar météorologique Doppler. Tout comme la vitesse radiale enregistrée pour une galaxie en rotation montre la rotation par le décalage rouge et bleu des ondes lumineuses, le changement de fréquence des ondes radio indique le mouvement de rotation dans les tempêtes telles que les cyclones, les ouragans et les tornades. Les prévisionnistes météorologiques peuvent émettre des avertissements de tornade tôt lorsqu’ils voient le changement Doppler dans les systèmes météorologiques violents.
Le décalage Doppler, ou méthode de vitesse radiale, peut être utilisé sur tout corps ou système de corps en orbite ou en vibration autour d’un centre commun. Les objets célestes et les modèles météorologiques affichent un décalage vers le rouge ou un décalage vers le bleu, selon que les objets s’approchent ou s’éloignent de l’observateur dans la direction radiale. La limite supérieure de la vitesse radiale a été décrite par Albert Einstein comme la vitesse de la lumière dans le vide, et sa théorie spéciale de la relativité s’applique à cette ligne de visée directe, mouvement radial.