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當你看見在夜空中閃爍的星星，或者會以為她們都是無盡宇宙中的孤客。但是，天文學家告訴我們，天上大部分的星星都是有同伴相隨的，她們被稱作雙星。
就以天狼星作例子吧，她是夜空中最光亮的星星。在香港，我們在冬天日落後不久可以很容易看到她，如圖一所示。 多年來，天文學家把她在天上的軌跡記錄下來，發現她的軌道是左右搖晃的，如圖二所示。這發現和牛頓運動第一定律不符，因為牛頓定律說明一件獨立的物體是以均速直線運行的。果然，現代天文觀察發現這顆星確有一個暗淡的同伴，相信是一顆白矮星。我們就把較光、質量較大的那顆星稱作天狼星A，而較暗、質量較小的那顆星稱作天狼星B。
(圖一： 一月一日下午九時從香港向東南偏東觀看的天狼星(黑色)，
天狼星是大犬座的主星，位於大犬的頸部。)
(圖二： 從1910到1990年，天狼星A (橙線)和天狼星B (紅線)的翩翩舞姿)
天狼星的搖晃動作就好像我們在舞會中看到的舞蹈。試想像一位身穿黑色晚禮服的男士擁著一位身穿白裙的女士，在舞場中優雅地盤旋起舞。關了燈，我們只能看見那位女士由舞場的一邊舞到另外一邊時，白裙在左右搖晃中前進的蹤跡，雖然我們在黑暗中看不見那位男士，不過我們很容易推想那位女士是有舞伴的。
對於那對舞伴而言，他們的旋轉動作是靠他們互相緊握臂彎的力來維繫的，這作用力提供了向心力維持著舞伴的圓周運動。沒有這作用力，他們就會分開。如果他們旋轉快速得雙手的作用力不能維持，他們就會各散東西了。所以我們可以透過觀察他們轉得多快，來判斷他們的手握得多緊。
讓我們把這個比喻引伸到雙星吧。把雙星拉在一起的力是萬有引力，強度是由星體的質量決定的。有兩個觀察可以幫助我們推斷力的強度有多大，從而知道雙星的質量。首先，我們可觀察兩星之間的距離，如果距離很遠的話，我們便可推斷扣緊雙星之間的作用力應是大的。第二，我們可觀察他們轉動的周期，如果周期是短的話，即代表他們互相旋轉得很快，我們就知道扣緊雙星之間的作用力也是大的。
事實上，透過牛頓的運動定律和牛頓的萬有引力定律，我們可以推出廣義的開普勒定律，就是說雙星的總質量和他們的平均距離成立方正比，和周期則成平方反比。
順理成章地，雙星提供了直接量度星體質量的唯一方法。不錯，我們可以從望遠鏡收集的星光中獲得很多有關星體的資料，也可以從中分析星體的化學成份、表面溫度、速度和距離或其他很多資料。可是，這些資料沒有一樣是和質量直接有關的。要計算他們的質量，我們一定要觀察他們之間萬有引力的效應，雙星的翩翩舞姿就提供了這方面的資料。
最近，雙星在發現極高密度星體上擔當了很重要的角色。高密度星體的例子有白矮星、中子星和黑洞，他們的質量介乎於一至十個太陽質量之間，大小則分別壓縮至如地球的直徑、大都市的範圍、及香港島的長闊般。由於他們體積細小，我們很難用光學的方法觀測得到。可是，當他們是雙星系統的一份子時，就會很容易被發現。最近發現的白矮星天狼星B，就展示了雙星的用處了。
另一個例子，就是在天鵝座X-1首次發現黑洞 – 天鵝座的一個X射線源。她包括一顆又光又大的星和一顆不可見的星，兩星互相圍繞運行。怎樣知道那顆隱藏了的星體是黑洞呢？那是因為我們知道天鵝座X-1是一個強烈的X射線源。這觀測的最佳解釋就是黑洞極強的萬有引力，令物質從明亮的星表面被吹離然後掉進了黑洞，物質掉進黑洞時形成了漩渦運動，就像在洗手盆去水時形成漩渦的情景，這般強烈的湍流運動產生了X射線，如圖三所示。再者，從雙星的周期，我們可以知道這星體的質量差不多是太陽的六倍，天文物理學的原理告訴我們，白矮星或中子星都不會有這麼高的質量，因此我們相信這個星體極有可能就是黑洞了。
(圖三: X-射線從雙星系統中的高密度星體(如黑洞)釋放出來。伴星的物質在漩渦中被高密度星體吸引，做成漩渦形的激烈流動。)
還有一個例子，對天文物理和基礎物理都很重要，就是曉斯和泰勒在1974年首次發現由一對脈衝星組成的雙星系統，名叫 PSR1913+16(PSR指脈衝星，1913+16指她在天上的位置)。一般認為，脈衝星是快速自轉的中子星，她發射的電磁波對觀察者來說，宛如一串脈衝。這對脈衝星其中一個所發出的脈衝，是向著地球方向的。(在這情況下，因為中子星體積太小，她在光學上依然是隱藏的，但透過無線電的天文偵測，我們就可以發現她的存在。)
那麼我們怎樣知道這個脈衝星是雙星系統的一員呢？脈衝星有一個很重要的特性，就是脈衝周期非常有規律，準確率甚至可以和石英鐘相比。曉斯和泰勒觀察到每隔7.75小時，PSR1913+16的脈衝周期就會周而復始的在增長和縮短。這令他們想起多普勒效應，就是當波動的來源朝向觀察者運動時，波動的周期就會縮短，朝相反方向時就會加長。因此透過周期的改變，他們斷定脈衝星是以7.75小時的周期在雙星系統的軌道中運行。
還有一個更驚人的發現，曉斯和泰勒對脈衝星作了更長時間的觀察後，發現這個雙星系統的半徑和周期都在下降，而旋轉速度則在上升，他們解釋這現象的成因，就是系統的能量正以引力波的形式流失。根據愛因斯坦的廣義相對論，高質量的物體在移動時會在周圍產生漣漪，以波動形式向外傳播，形成引力波。情形就好像運動中的電子一樣，在周圍的電場產生漣漪，以電磁波形式向外傳播。但自從愛因斯坦提出了引力波的存在，一直都沒有實際的觀察支持。基於脈衝星有足夠的質量，當他們在雙星系統中運轉時，就能發射出可觀測的引力波了，如圖四所示。這發現為引力波的存在首次提供了証據。一九九三年，曉斯和泰勒就憑著雙脈衝星的研究，榮獲諾貝爾物理獎。
(圖四: 雙星系統的脈衝星放出的引力波)
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