如果文獻上說，一個遙遠星系離我們的距離是110億光年遠，要知道作者想要表達的是什麽：

這個星系的光需要110億年的時間才能到達我們地球，那是通過測量星系的紅移效應唯一能確定的事情。在光發射出來的時候，是在110億年前，這個星系那時非常靠近我們，也許只有幾十億光年。而當該星系的光最終到達地球的時候，它與我們之間的距離可能已經大于200億光年。這個110億光年的說法是個非常馬虎的表達。

也許有人會反駁：200億光年？宇宙的年齡才138億歲，這個星系怎麽會距離我們這麽遠？愛因斯坦告訴我們任何東西的傳播速度都不能超越光速，怎麽可能138億年時間裏移動200億光年的距離呢？這真是令人費解。

一、譜線紅移——空間膨脹

20世紀初，天文學家們已經有不少測量“恒星徑向速度”的經驗了。他們發現，在空間的任何方向上，從地球上觀測到的星光的頻率都偏低，顔色都偏紅。所有的漩渦星雲看上去都在退行，而且是以極高的速度遠離我們而去。

當時沒有人能夠解釋它，直到20世紀20年代末美國科學家哈勃（Edwin Hubble）揭開了這個謎團。1924年，哈勃已經證明，那些漩渦星系並不是銀河系的一部分，而是遠離銀河系的一個個河外星系，包含數十億顆恒星。1929年，哈勃得出了一個驚人的發現，星系距離我們越遠，它們的退行速度就越快。臨近的星系以相對穩定的退行速度離我們而去，而較遠的星系則有著更快的退行速度。這就是産生譜線紅移效應的緣由。

當時哈勃並沒有精確地知道這些星系的距離有多遠，但他做出了一個合理的結論：譜線紅移並不是那些星系真正遠離我們而去，其實質是宇宙空間自身在膨脹，而且在各個方向上都如此。

想象由一個遙遠星系發射出的一列光波，它有特定的頻率和波長。在幾百萬年甚至幾十億年的時間裏，這列光波在太空中向著地球飛速而來。如果我們的宇宙是靜態的，這列光波在到達地球時應該有著和它出發時完全相同的波長。但宇宙並不是靜態的，空間正在膨脹。因此，光波穿行的空間也同時在膨脹，光波被漸漸地拉長，産生了偏紅的顔色。

光波在膨脹的空間中穿行的時間越久，它就會被拉伸得越厲害。因此，來自遙遠星系的光線旅行時間更長，將會比附近星系發出的光産生更大程度的紅移效應。這就是哈勃的發現。現在宇宙學家已利用星系紅移作爲其距離的替代量度。

二、哈勃定律及哈勃常數

測量星系的譜線紅移實際上也是測量星系遠離銀河系的速度。研究譜線紅移將爲繪制宇宙空間星系的布局提供重要線索。

哈勃掌握了測定河外星系距離的方法，因此他可以進一步研究河外星系和距離之間的關系。他將這些星系的紅移和它們的距離位置一一對應起來，畫在一張空間的疆域圖上。

可以發現，河外星系遠離地球的速度Ｖ正比于星系的距離Ｄ。哈勃得出，星系退行速度和星系距離的比值幾乎是一個常數Ｈ，當時哈勃計算出爲500，以km/s/Mpc爲單位，這裏Mpc是百萬秒差距（1pc=3.26光年）。

換句話說，哈勃的觀測意味著326萬光年外的星系正在以500km/s的速度遠離地球。這就是著名的紅移——距離關系，稱作哈勃定律（Hubble's Law）：

Ｖ = Ｈ x Ｄ，Ｈ爲哈勃常數。

哈勃的這一發現，被學界認爲是宇宙膨脹的直接證據。後來，隨著觀測手段和技術的進步，哈勃常數的測量精度也日趨精確。

測量哈勃常數成了天文學界關鍵科學目標之一。例如，2001年美國天文學家費裏曼（Wendy Freeman）對造父變星周光關系進行了精確定標，得到的哈勃常數爲72km/s/Mpc，誤差10%。2016年，H0LiCOW團隊發布了基于引力透鏡數據的哈勃常數，結果是71.9km/s/Mpc，誤差3.8%。2018年，一個國際團隊利用哈勃和蓋亞（Gaia）空間望遠鏡完成了一次測量，最新測量的哈勃常數爲73.52+-1.62km/s/Mpc，這是對哈勃常數最新也是最精確的一次測量。

星系紅移作爲距離的量度，是測量遙遠星系最實用的方法。哈勃指出，紅移量與距離有關：Ｚ＝ＨｘＤ／ｃ，這是哈勃定律的另一種表達形式，這裏Z爲紅移量，c爲光速，Ｄ爲距離，Ｈ爲哈勃常數。由此，只要精確測出星系譜線的紅移量Z，便可以計算出星系的距離。此方法可以測定遠達百億光年計的距離。

例如，2013年哈勃太空望遠鏡對遙遠天體z8_GND_5296的光譜確認，它的宇宙學紅移是7.51，距離地球大約290億光年，對應大爆炸後7億年。該方法目前測得的最大距離約是460億光年，也就是目前可觀測宇宙的半徑。

三、星系的距離意味著什麽？

天文學家測得的星系距離究竟意味著什麽呢？假設一個星系在很久之前發射出一列光波，當時它距銀河系有50億光年之遙。當這束光最終到達地球的時候，這個距離現在可能已經變成100億光年了。歸根結底，這是因爲宇宙空間同時在不停地膨脹。

問題來了，星系紅移並沒有給我們提供任何有關其“原始”距離的信息，以及關于其“當前”距離的信息。我們唯一能夠從紅移中得到的信息就是，這個星系的光在膨脹的空間中穿行了多少時間。它既不是50億年，也不是100億年，而是介于兩者之間，大約70億年。

那麽，關于這個星系的距離，我們應該怎麽表達呢？

嚴格來說，“這個星系太遙遠了，它發出的光波在膨脹的宇宙空間中穿越了70億年的時間才到達我們這裏。”這聽起來十分別扭。爲了讓表達更加簡潔，天文學家會說“這個星系在距離地球70億光年遠的地方。”畢竟，70億年的穿行時間是我們唯一能夠測量到的信息。但這顯然是非常馬虎的近似說法，它沒有清楚地表述這個星系現在離我們的真實距離。

由于光速有限，我們在空間中能夠看多遠有個限制。如果宇宙誕生于138億年前，這也是光的最長旅行時間。空間很可能無限大，但我們只能觀測到其中的一小部分：以銀河系爲中心，以138億光年爲半徑的球狀區域。這就是我們所稱的可觀測宇宙（Observable Universe）。這個球體的表面就是宇宙學視界（cosmic horizon）。

值得一提的是，隨著空間膨脹，當前我們的宇宙學視界的實際半徑大約已是460億光年，即當前可觀測宇宙的實際半徑已達460億光年。

因爲光速太慢，宇宙學視界是對我們觀測能力的一項基本限制。隨著時間流逝，可觀測宇宙會不斷變大，每一年其半徑會增大1光年。遺憾的是，由于空間在加速膨脹，最終可觀測宇宙的增長無法趕上空間的膨脹，我們能夠看到的星系會越看越少。最後，宇宙中的每一個星系都會成爲“看不見”鄰居的孤島。

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