星係的紅移現象
宇宙紅移現象
天體的光或者其他電磁輻射可能由於三種效應被拉伸而使波長變長。因為紅光的波長比藍光的長，所以這種拉伸對光學波段光譜特征的影響是將它們移向光譜的紅端，於是全部三種過程都被稱為“紅移”。
第一類紅移
第一類紅移在1842年由布拉格大學的數學教授克裏斯琴·多普勒做了說明，它是由運動引起的。當一個物體，比如一顆恒星，遠離觀測者而運動時，其光譜將顯示相對於靜止恒星光譜的紅移，因為運動恒星將它朝身後發射的光拉伸了。類似地，一顆朝向觀測者運動的恒星的光將因恒星的運動而被壓縮，這意味著這些光的波長較短，因而稱它們紅移了。
一個運動物體發出的聲波的波長(聲調)也有與此完全相似的變化。朝向你運動的物體發出的聲波被壓縮，因而聲調較高；離你而去的物體的聲波被拉伸，因而聲調較低。任何遇到過急救車或其他警車警笛長鳴擦身而過的人，對以上兩種情況都不會陌生。聲波和電磁輻射的上述現象都叫作多普勒效應。
多普勒效應引起的紅移和藍移的測量使天文學家得以計算出恒星的空間運動速度，而且能夠測定星係自轉方式等。天體紅移的量度是用紅移引起的相對變化表示，稱為z。
如果z=0.1，則表示波長增加了10％等。隻要所涉及的速率遠低於光速，z也將等於運動天體的速率除以光速。所以，0.1的紅移意味著恒星以1/10的光速遠離我們而去。
第二類紅移
1914年，工作在洛韋爾天文台的維斯托·斯裏弗發現，15個稱為旋渦星雲（星係）的天體中有11個的光都顯示紅移。
1922年，威爾遜山天文台的埃德溫·哈勃和米爾頓·哈馬遜進行了更多的類似觀測。哈勃首先確定了星雲是和銀河係一樣的另外的星係。然後，他們發現大量星係的光都有紅移。
至1929年，哈勃主要通過將紅移和視亮度的比較確立了星係的紅移與它們到我們的距離成正比的關係，即稱為哈勃定律。這個定律僅對很少幾個在空間上離銀河係最近的星係不成立，例如仙女座星係的光譜顯示的是藍移。
起初，遙遠星係的紅移被解釋成星係在空間運動的多普勒效應，似乎它們全都是由於以銀河係為中心的一次爆炸而四散飛開的。但他們很快就意識到，這種膨脹早已蘊含在發現哈勃定律之前十多年發表的廣義相對論方程式之中。
當阿爾伯特·愛因斯坦本人於1917年首次應用那些方程式導出關於宇宙的描述時，它發現方程式要求宇宙必須處於運動狀態——要麼膨脹，要麼收縮。方程式排除了穩定模型存在的可能性。由於當時無人知曉宇宙是膨脹的，於是愛因斯坦在方程式中引入一個虛假的因子，以保持模型靜止，他後來說這是他一生“最大的失誤”。
去掉那個虛假因子後，愛因斯坦方程式能準確地描述哈勃觀測到的現象。方程式表明，宇宙應該膨脹，這並不是因為星係在空間運動，而是星係之間的虛無空間，嚴格地說是時空在膨脹。這種宇宙學紅移的產生是因為遙遠星係的光在其傳播途中被膨脹的空間拉開了，而且拉開的程度與空間膨脹的程度一樣。
宇宙的衡量標準
由於紅移正比於距離，這就給宇宙學家提供了一個測量宇宙的衡量標準。量杆必須通過測量較近星係來校準，雖然這種校準還有一些不確定性，但它仍然是宇宙學唯一最重要的發現。
沒有測量距離的方法，宇宙學家就不可能真正開始認識宇宙的本質，而哈勃定律的準確性表明，廣義相對論是關於宇宙如何運轉的極佳描述。
由於曆史原因，星係的紅移仍然用速度來表示，盡管天文學家知道紅移並非由自身的空間運動所引起。一個星係的距離等於它的紅移“速度”除以一個常數，這個常數叫作哈勃常數，它的數值大約是600000米每秒每百萬秒差距，這意味著星係和我們之間距離的每一個百萬秒差距將引起600000米每秒的紅移速度。對我們最近的鄰居來說，宇宙學紅移是很小的，而像仙女座星係那樣的星係顯示的藍移確實是它們的空間運動造成的多普勒效應藍移。
遙遠的星係團中的星係顯示圍繞某個中間值的紅移擴散度，這個中間值就是該星係團的宇宙學紅移，而對於中間值的偏差則是星係在星係團內部的運動引起的多普勒效應。