本文最初发布于The Conversation。
一百年前，天文学家埃德温·哈勃极大地扩展了已知宇宙的规模。在1925年1月举行的美国天文学会会议上，他的同事代他宣读的一篇论文报告说，仙女座星云（也称为M31）距离我们近一百万光年——太远了，不可能是银河系的一部分。
哈勃的工作为研究我们星系之外的宇宙打开了大门。自哈勃开创性工作以来的一个世纪里，像我这样的天文学家已经了解到宇宙浩瀚无垠，包含数万亿个星系。
星云的性质
1610年，天文学家伽利略·伽利莱使用新发明的望远镜证明，银河系是由数量庞大的暗淡恒星组成的。在接下来的300年里，天文学家认为银河系就是整个宇宙。
随着天文学家使用更大的望远镜扫描夜空，他们被被称为星云的模糊光斑所吸引。18世纪末，天文学家威廉·赫歇尔利用恒星计数来绘制银河系的地图。他编目了1000个新星云和星团。他认为这些星云是银河系内的天体。
1781年，查尔斯·梅西耶也编制了一个包含100多个显著星云的目录。梅西耶对彗星感兴趣，所以他的列表是一系列模糊的天体，可能被误认为是彗星。他希望彗星猎人避开它们，因为它们不会在天空中移动。
随着数据的不断积累，19世纪的天文学家开始认识到星云是混杂的。有些是气体星云，如猎户座星云，即M42——梅西耶目录中的第42个天体——是恒星形成的区域；而另一些则是星团，如昴宿星团，即M45。
第三类——具有螺旋结构的星云——特别引起了天文学家的兴趣。而仙女座星云，M31，就是一个突出的例子。在黑暗的地方，肉眼就可以看到它。
早在18世纪中期，天文学家就推测有些星云可能是遥远的恒星系统或“岛状宇宙”，但没有数据支持这一假说。“岛状宇宙”指的是可能存在银河系之外的巨大恒星系统的想法——但天文学家现在称这些系统为星系。
1920年，天文学家哈洛·沙普利和赫伯·柯蒂斯举行了“大辩论”。沙普利认为螺旋星云很小，位于银河系内；而柯蒂斯则持更激进的观点，认为它们是独立且极其庞大、遥远的星系。
当时，辩论没有定论。天文学家现在知道，星系是孤立的恒星系统，比它们之间的空间小得多。
哈勃留下印记
埃德温·哈勃年轻而雄心勃勃。30岁时，他来到南加州的威尔逊山天文台，正好赶上使用当时世界上最大的新型 Hooker100英寸望远镜。
他开始拍摄螺旋星云的照相底片。这些玻璃底片记录了夜空的图像，表面覆盖着感光乳剂。望远镜的尺寸使其能够拍摄非常暗淡的天体的图像，而其高质量的镜子使其能够区分一些星云中的单个恒星。
在天文学中估算距离是一项挑战。想象一下，在漆黑的夜晚，要估算一个向你打手电筒的人有多远是多么困难。星系的尺寸和质量差异很大。测量一个星系的亮度或视尺寸并不是一个好的指标来判断其距离。
哈勃利用了亨丽爱塔·斯旺·勒维特十年前的一项发现。她在哈佛大学天文台担任“人类计算机”， painstaking 地测量了照相底片上成千上万颗恒星的位置和亮度。
她特别关注造父变星，这类恒星的亮度会按规律脉动，因此它们会以特定的周期变亮和变暗。她发现了它们的变光周期（或脉冲）与其本征亮度或光度之间的关系。
一旦测量出造父变星的周期，你就可以利用平方反比定律根据它看起来的亮度来计算其距离。恒星越远，看起来越暗。
哈勃辛勤工作，在每个晴朗的夜晚拍摄螺旋星云的照片，并寻找造父变星的标志性变动。到1924年底，他在M31中发现了12颗造父变星。他计算出M31的距离高达90万光年，尽管他低估了它的真实距离——约250万光年——因为他没有意识到存在两种不同类型的造父变星。
他的测量标志着关于银河系大小和星云性质的“大辩论”的结束。哈勃将他的发现写信告诉了沙普利，沙普利曾认为银河系包含了整个宇宙。
“这就是摧毁了我的宇宙的信，”沙普利评论道。
哈勃总是渴望 publicity，他在同事在美国华盛顿特区的年度天文学家会议上宣读论文的五周前，就将他的发现泄露给了《纽约时报》。
一个膨胀的星系宇宙
但哈勃并未止步。他的第二个重大发现也彻底改变了天文学家对宇宙的理解。当他将数十个星系的光分散成光谱（记录了每个波长的光量）时，他注意到光总是向更长或更红的波长偏移。
来自星系的光通过棱镜或在望远镜的衍射光栅上反射，从而捕捉从蓝色到红色的光强度。
天文学家称向更长波长的偏移为红移。
这些红移的星系似乎都在远离银河系。
哈勃的结果表明，星系越远，其远离地球的速度就越快。哈勃因此发现获得了绝大部分荣誉，但洛厄尔天文台的天文学家维斯托·斯利弗也注意到了相同的现象，但他没有发表数据，也预见了这一结果。
哈勃称星系具有退行速度，即远离地球的速度，但他从未意识到它们是在因为宇宙正在变大而远离地球。
比利时宇宙学家、天主教牧师乔治·勒梅特通过认识到广义相对论描述了一个膨胀的宇宙，从而做出了这一联系。他认识到，星系之间空间的膨胀可能导致红移，从而使它们看起来似乎在彼此以及与地球的距离越来越远。
勒梅特是第一个提出膨胀必然始于大爆炸的人。
NASA以哈勃的名字命名了其旗舰空间望远镜，该望远镜已研究星系35年。天文学家现在普遍观测到的星系比20世纪20年代观测到的星系要暗淡数千倍，距离也更远。而詹姆斯·韦伯太空望远镜更是将这一极限推得更远。
目前的纪录保持者是一个距离我们惊人的340亿光年的星系，它是在大爆炸后仅2亿年被观测到的，那时宇宙比现在小20倍。看到如此大的进步，埃德温·哈勃一定会感到惊叹。
