为了更多地了解银河系，我们必须研究确定星体运动的方法。当哈雷发现彗星在运动着的时候，他只能测量它们走过的可视路线（固有运动）的路程，它们仿佛是在沿天体滑动着。然而，一旦天体不存在了，而且星星穿过广阔的太空分布在距我们较近或较远处，变得十分明显，问题就出现了：某一特定的星体是正朝向我们运动，还是背离我们运动着呢？此运动（相向或背向）被称为径向运动，因为星星被看作在沿着轮辐（或半径）朝向或背向我们运动着，此轮以地球为中心，远离我们延伸出去。
我们如何才能探测出这个运动呢？如果一颗星正径直地背向我们或朝向我们运动，那么它在太空中的位置是不变的。当然，如果它们背离我们运动，它将在天空中变得越来越暗。如果它稳定地朝向我们运动，则会变得越来越亮，但是星星离我们那么远，而且相对那巨大的距离而言移动是那么缓慢，那么星星用几千年而改变的亮度完全可以用精密仪器探测出来。此外，即使一颗星是以固有运动穿过太空，它也可以是朝向或背向我们运动以至于它在三维空间中存在着倾斜运动。如何才能观察到这种运动呢？
此答案是在从地球上观察到的一个现象中被发现的，好像与星星无关。如果一个骑兵正在军事进攻中冲锋，吹号以鼓舞自己军队的士气而威吓敌军，当他移向一个静止不动的收听者时，号声好像改变了音高。当掠过时，声音突然呈现为较低的音高。
这个现象在战争最激烈时没有被发现，但在1815 年，英国工程师乔治·斯蒂芬森发明了铁道机车，它不是多年前的那种跑起来跟奔马的速度一样或再快一点的机车。更重要的是，当它们穿过人口稠密的地区时，通常会发出某种汽笛声来警告人们，所以当机车经过时听到突然降低的声音就非常普遍了。为什么会发生这种情况？疑问就出现了。
奥地利物理学家克里斯琴·乔安娜·多普勒十分准确地解决了问题，判定当机车逼近时，每个连续的声音都稍微追上它前面的那个，因此它们比机车静止时更频繁地传入耳朵。因此，比机车静止时的汽笛声要高。当机车经过或开始后退时，每个连续声波都被拉离前面那个，那么就比机车静止时传到耳朵的次数少，所以听起来音高就较低。那么在机车穿过时声音存在着自然的变化过程，由比正常的高到比正常的低，由高音到低音。
在1842 年，多普勒解出了速度与音高的数学关系，并通过火车头以不同的速度来回拖着平板车而成功地验证了这个关系。吹号手在平板车上吹出各种音调，在地面上，具有绝对音高感的音乐家记录火车经过时的声音变化。因此，这种音高变化被称为多普勒效应。
到现在，人们发现光也是由波构成的，虽然它的波比声波要小得多。1848 年，法国物理学家阿曼德·希玻利特·费佐指出多普勒效应适用于任何波的运动，包括光。因此，常常把光运动的方式称为多普勒—费佐效应。
如果一颗星既不靠近又不远离我们，那么它的光谱中的黑线就保持在适当的位置。如果星体背向我们运动，它发出的光的波长较长（是较低音高的等价值），而且黑线总是向光谱中的红光端移动（红向移动）。移动得越多，背离我们运动的速度越快。另一方面，如果星体向我们靠近，它发出的光的波长较短（是较高的音高的等价值），光谱线朝向光谱中的紫光端移动。而且，移得越远，靠近我们运动的速度越快。
如果我们知道径向运动（相向或背向），又知道固有运动（朝一侧），我们就能计算出星体在三维空间中的真实运动。事实上，径向速度是其中非常重要的。只有星体离我们足够近而且它穿过天空的运动快得可以被觉察出来时，固有运动才能被测量，但只有非常小的一部分星体是离我们那么近的。另一方面，无论星体离我们多远，只有它的光谱是可以得到的，才能确定径向运动。在1868 年，威廉·哈金斯首次确定了星星的径向速度。他发现天狼星以大约46 公里/秒次强的速度背离我们。目前，我们有较好的图表，很接近首次尝试。
