在大約1個世紀以前，天文學家埃德溫·哈勃通過對宇宙星系中Ia型超新星爆發時的光譜分析，發現了宇宙正在膨脹！他是怎樣發現的呢？

緣起——宇宙膨脹是怎樣發現的？

哈勃通過威爾遜山天文臺的2.54米口徑反射望遠鏡觀測到的20多個根據Ia型超新星爆發準確測定了距離的星系的光譜分析中發現，所有方向上的遠方星系的光譜都發生了紅移，且距離我們越遠的星系，光譜紅移越厲害！根據光的多普勒效應，這表明這些星系正以高速遠離我們，且距離我們越遠，遠離我們的速度越快。

（ 哈勃測量星系紅移）

【小知識】Ia型超新星是一種小質量恒星演化到末期坍縮到電子簡并態時形成的致密星體，一般質量在1.44倍太陽質量以下。當它們吸食周邊恒星物質，導致其質量增加到1.44倍太陽質量左右時，就會突破錢德拉塞卡極限，從而發生超新星爆炸，由于白矮星爆發時無論是星體質量、物質成分等都大致相當，理論上它們的絕對光度（指相同距離下看到的光度）也是大致相同的。由此，我們就能根據它的光度來判斷它的距離。

（NGC 2525星系中的超新星爆發，圖源：哈勃）

哈勃在統計中發現了所有方向上星系都在遠離地球，且距離越遠，紅移越大的規律后，科學家只能給出兩種合理解釋：1、地球是宇宙的中心，所有的星系都在向外加速遠離地球；2、宇宙沒用中心，宇宙空間正以一定的速率膨脹。

這兩種解釋都能得到相同的結果，哪一種更合理？答案是顯而易見的，沒有人會相信，地球會是宇宙的中心！所以，實際的情況是：宇宙正在膨脹！

（宇宙膨脹概念圖，圖源：Phys.org ）

宇宙膨脹有多快？哈勃常數的測量

在知道宇宙正在膨脹后，接下來要做的當然就是測量宇宙的膨脹率。最簡單的就是用哈勃的觀測數據直接算。前面說到，哈勃根據Ia型超新星爆發時的光度測量了它們所在星系的距離，這樣跟星系光譜的紅移值一一對應，就可以獲得星系紅移隨距離的變化率，從而得到宇宙膨脹率，即哈勃常數。這種測量方法被稱為宇宙距離階梯紅移法。

（宇宙距離階梯紅移，圖源：briankoberlein.com）

隨著天文學的發展，更多的哈勃常數測量方法被提出，目前被廣為接受的有三種測量方法，除了以上所說的宇宙距離階梯紅移法外，還有宇宙微波背景輻射測量法和引力波測量法，讓科學家郁悶的是，這三種方法測量到的哈勃常數并不一致，在一個相差越10%的范圍內。這三個方法得到的哈勃常數測量值分別是：宇宙距離階梯測得：73.45±1.66km/s/Mpc，宇宙微波背景輻射測得：67.3±1.4km/s/Mpc，雙中子星合并引力波測得：70.0±12km/s/Mpc。（單位里的km是千米，s是秒，Mpc是百萬秒差距≈3.26百萬光年）

（三種哈勃常數測量法，圖源：LIGO）

宇宙正在膨脹，為何星系依然會相向而行甚至碰撞？

前面的三個哈勃常數測量值雖然不一致，但至少在一個大致的范圍內，可以看出這個宇宙的膨脹率并不高。取測量到的平均值約為70公里/秒/326萬光年，即每326萬光年距離上每秒膨脹70公里。

因此我們可以來回答這個問題：宇宙正在膨脹，為何星系依然會相向而行？因為：宇宙膨脹得太慢了。

由于萬有引力的緣故，宇宙中的星系之間本來就有相互作用，它們由于自身巨大的質量會彼此產生引力相互作用從而吸引對方，在一個雙星系系統下，它們一般會互相繞轉，當軌道存在偏心率時，會時而靠近時而遠離，一個最好的例子就是彗星公轉，它就是時而靠近太陽，隨即又重新遠離太陽。

（星系間的引力相互作用，圖源：哈勃）

當距離較近的星系在互相繞轉過程中，軌道越過了遠心點（即偏心軌道中遠離旋轉中心的點，反之亦然），就會向近心點靠近，這個過程中，兩個星系就表現為互相靠近，即題目所說的相向而行。

實際上在宇宙中并非僅有兩個星系，因此星系間的運動是相對復雜的，在某些情況下，甚至會發生星系碰撞的事件，哈勃太空望遠鏡就拍到過很多這樣的星系碰撞照片，根據天文觀測，我們所在的銀河系與250萬光年外的仙女星系在約38億年后也會發生碰撞。

（星系碰撞，圖源：哈勃）

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