在大约1个世纪以前，天文学家埃德温·哈勃通过对宇宙星系中Ia型超新星爆发时的光谱分析，发现了宇宙正在膨胀！他是怎样发现的呢？

缘起——宇宙膨胀是怎样发现的？

哈勃通过威尔逊山天文台的2.54米口径反射望远镜观测到的20多个根据Ia型超新星爆发准确测定了距离的星系的光谱分析中发现，所有方向上的远方星系的光谱都发生了红移，且距离我们越远的星系，光谱红移越厉害！根据光的多普勒效应，这表明这些星系正以高速远离我们，且距离我们越远，远离我们的速度越快。

（ 哈勃测量星系红移）

【小知识】Ia型超新星是一种小质量恒星演化到末期坍缩到电子简并态时形成的致密星体，一般质量在1.44倍太阳质量以下。当它们吸食周边恒星物质，导致其质量增加到1.44倍太阳质量左右时，就会突破钱德拉塞卡极限，从而发生超新星爆炸，由于白矮星爆发时无论是星体质量、物质成分等都大致相当，理论上它们的绝对光度（指相同距离下看到的光度）也是大致相同的。由此，我们就能根据它的光度来判断它的距离。

（NGC 2525星系中的超新星爆发，图源：哈勃）

哈勃在统计中发现了所有方向上星系都在远离地球，且距离越远，红移越大的规律后，科学家只能给出两种合理解释：1、地球是宇宙的中心，所有的星系都在向外加速远离地球；2、宇宙没用中心，宇宙空间正以一定的速率膨胀。

这两种解释都能得到相同的结果，哪一种更合理？答案是显而易见的，没有人会相信，地球会是宇宙的中心！所以，实际的情况是：宇宙正在膨胀！

（宇宙膨胀概念图，图源：Phys.org ）

宇宙膨胀有多快？哈勃常数的测量

在知道宇宙正在膨胀后，接下来要做的当然就是测量宇宙的膨胀率。最简单的就是用哈勃的观测数据直接算。前面说到，哈勃根据Ia型超新星爆发时的光度测量了它们所在星系的距离，这样跟星系光谱的红移值一一对应，就可以获得星系红移随距离的变化率，从而得到宇宙膨胀率，即哈勃常数。这种测量方法被称为宇宙距离阶梯红移法。

（宇宙距离阶梯红移，图源：briankoberlein.com）

随着天文学的发展，更多的哈勃常数测量方法被提出，目前被广为接受的有三种测量方法，除了以上所说的宇宙距离阶梯红移法外，还有宇宙微波背景辐射测量法和引力波测量法，让科学家郁闷的是，这三种方法测量到的哈勃常数并不一致，在一个相差越10%的范围内。这三个方法得到的哈勃常数测量值分别是：宇宙距离阶梯测得：73.45±1.66km/s/Mpc，宇宙微波背景辐射测得：67.3±1.4km/s/Mpc，双中子星合并引力波测得：70.0±12km/s/Mpc。（单位里的km是千米，s是秒，Mpc是百万秒差距≈3.26百万光年）

（三种哈勃常数测量法，图源：LIGO）

宇宙正在膨胀，为何星系依然会相向而行甚至碰撞？

前面的三个哈勃常数测量值虽然不一致，但至少在一个大致的范围内，可以看出这个宇宙的膨胀率并不高。取测量到的平均值约为70公里/秒/326万光年，即每326万光年距离上每秒膨胀70公里。

因此我们可以来回答这个问题：宇宙正在膨胀，为何星系依然会相向而行？因为：宇宙膨胀得太慢了。

由于万有引力的缘故，宇宙中的星系之间本来就有相互作用，它们由于自身巨大的质量会彼此产生引力相互作用从而吸引对方，在一个双星系系统下，它们一般会互相绕转，当轨道存在偏心率时，会时而靠近时而远离，一个最好的例子就是彗星公转，它就是时而靠近太阳，随即又重新远离太阳。

（星系间的引力相互作用，图源：哈勃）

当距离较近的星系在互相绕转过程中，轨道越过了远心点（即偏心轨道中远离旋转中心的点，反之亦然），就会向近心点靠近，这个过程中，两个星系就表现为互相靠近，即题目所说的相向而行。

实际上在宇宙中并非仅有两个星系，因此星系间的运动是相对复杂的，在某些情况下，甚至会发生星系碰撞的事件，哈勃太空望远镜就拍到过很多这样的星系碰撞照片，根据天文观测，我们所在的银河系与250万光年外的仙女星系在约38亿年后也会发生碰撞。

（星系碰撞，图源：哈勃）

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