- 图注：大爆炸之后，宇宙几乎完全一致，充满了物质、能量和辐射，处于迅速膨胀的状态。随着时间的推移，宇宙不仅形成元素、原子、团块和团簇，从而形成恒星和星系，而且在整个时间内膨胀和冷却。即使在今天，宇宙仍在继续膨胀，随着时间的推移，它以每年6.5光年的速度向各个方向增长。
如果我们实验确定宇宙中有一个常数，那就是真空中的光速c。不管光在哪里，何时，或朝哪个方向传播，它以每秒299792458米的速度，每年传播1光年（约9万亿公里）。大爆炸已经有138亿年了，这可能会让你想到我们能看到的最远的天体是138亿光年远的。但不仅如此，我们能看到的最远距离是138亿光年距离的三倍多：461亿光年。
- 图注：我们经常将空间视为一个三维网格，即使在考虑时空概念时，这是一个帧相关的过度简化。实际上，时空是由物质和能量的存在而弯曲的，距离不是固定的，而是可以随着宇宙的膨胀或收缩而演化。
如果宇宙的年龄是138亿年，我们怎么能探测到任何距离我们超过138亿光年的信号呢？
我们可以从想象一个宇宙开始，在那里我们能看到的最遥远的物体实际上是138亿光年远。要做到这一点，必须有一个宇宙：
- 天体保持不变，随着时间的推移彼此保持固定的距离，
- 空间结构保持静止，不随时间扩张也不收缩，
- 光在任何两点之间的直线上穿过宇宙，不受物质、能量、空间曲率或其他任何因素的影响。
如果你想象你的宇宙是一个三维的网格，有一个X，Y，Z轴，空间本身是固定不变的，这是可能的。在遥远的过去，天体会发出光，光会穿过宇宙，直到它到达我们的眼睛，我们会在“数年”之后收到与光所经过的“光年”数相同的“光年”。
- 图注：在一个静止不变的宇宙中，所有天体都会向四面八方发射光，并且光会以光速在宇宙中传播。经过138亿年的时间之后，光可以走过的最大距离将是138亿光年。
不幸的是，这三个假设都是错误的。首先，天体之间不会保持固定的距离，而是可以自由地在它们所占据的空间中移动。宇宙中所有的大量和能量天体相互引力作用使它们移动并加速，聚集在一起，如星系和星系团，而其他区域则变得没有物质。
这些力会变得极其复杂，从星系中踢出恒星和气体，产生超快的超高速物体，并产生各种加速度。我们所感知到的光将根据我们与观察对象的相对速度而红移或蓝移，光的传播时间不一定与任何两个对象之间的实际当前距离相同。
- 图注：相对于观察者移动的发光物体，其发出的光会根据观察者的位置而移动。左边的人会看到光源远离光源，因此光线会红移；右边的人会看到光源朝着光源移动时，光源会蓝移，或者移到更高的频率。
这最后一点非常重要，因为即使在空间是静止的、固定的、不变的宇宙中，天体仍然可以穿过它。我们甚至可以想象一个极端的例子：一个天体位于距离我们138亿光年的约138亿年前，但以非常接近光速的速度离开我们。
那光仍将以光速向我们传播，以138亿年的时间跨度穿越138亿光年。但当这束光到达今天时，这个物体的距离可能是现在的两倍：如果它以接近光速的速度任意离开我们，距离我们的距离可能高达276亿光年。即使空间的结构没有随着时间的推移而改变，但我们今天可以看到的许多物体可能离我们138亿光年远。
唯一的问题是，它们的光最多可以传播138亿光年；天体发出这种光后如何移动无关紧要。
- 图注：在真空中，无论观察者的速度如何，光总是以与光速相同的速度运动。如果一个遥远的物体发出光，然后迅速离开我们，它今天的距离可能是光传播距离的两倍。
但空间结构也不是恒定的。这是爱因斯坦的重大启示，使他形成了广义相对论：空间和时间都不是静止的或固定的，而是形成了一种称为时空的结构，其性质取决于宇宙中存在的物质和能量。
如果你要取一个平均充满某种形式物质或能量的宇宙，不管它是正常物质、暗物质、光子、中微子、引力波、黑洞、暗能量、宇宙弦，或者两者的任何结合——你会发现空间结构本身是不稳定的：它不能保持静止不变。相反，它必须要么膨胀要么收缩；天体之间的巨大宇宙距离必须随着时间而改变。
- 图注：Vesto Slipher 在 1917 年首次指出，我们观察到的一些天体显示了特定原子、离子或分子吸收或发射的光谱特征，但系统地向光谱的红色或蓝色端移动。当与哈勃望远镜的距离测量相结合时，这些数据产生了宇宙膨胀的最初想法：星系越远，其光的红移就越大。
从1910年代和1920年代开始，观察开始证实了这一点。我们发现天空中的螺旋状和椭圆形星云是我们自己以外的星系，我们测量了它们的距离；我们发现它们越远，它们的光就越红移。
在爱因斯坦广义相对论的背景下，这得出了一个肯定的结论：宇宙正在膨胀。
这比人们通常意识到的还要深刻。空间结构本身并不是随时间而保持不变，而是不断膨胀，推动着彼此之间没有引力束缚在一起的物体。就好像单个星系和星系团是葡萄干嵌入在一个看不见的（类似空间的）面团的海洋中一样，当面团发酵时，葡萄干就被推开了。这些对象之间的空间会扩大，从而导致单个对象看起来彼此之间的距离变小。
- 图注：这个简化的动画显示了在不断膨胀的宇宙中，光是如何红移的，以及未束缚对象之间的距离是如何随时间变化的。注意，物体比光在它们之间传播所需的时间更近，光的红移是由于空间的膨胀，这两个星系比它们之间交换的光子所走的光传播路径远得多。
这对我们观察背后的意义有着巨大的影响。当我们观察一个遥远的物体时，我们不仅仅看到它发出的光，也不仅仅看到光被光源和观察者的相对速度所移动。相反，我们看到了膨胀的宇宙是如何从膨胀空间的累积效应中影响到光的，这些累积效应发生在它的旅程中的每一点上。
如果我们想探索我们能看到的距离的绝对极限，我们会寻找尽可能接近138亿年前发出的光，这些光今天才刚刚到达我们的眼睛。我们会根据我们现在看到的光来计算：
- 光照了多少时间，
- 从那时到现在宇宙是如何膨胀的，宇宙中存在的所有不同形式的能量必须解释它，
- 考虑到我们对膨胀的宇宙所知的一切，这个天体今天一定离我们有多远。
- 图注：此简化动画显示光红移如何以及未束缚对象之间的距离在膨胀的宇宙中随时间而变化。请注意，物体的起始距离比光在它们之间移动所需的时间要近，由于空间膨胀而导致的光红移，并且两个星系的间隔远于它们之间交换的光子所走的光旅行路径。
在这一点上，我们不仅为少数天体做到了这一点，而且还为数以百万计的天体做到了这一点，从我们自己的宇宙后院到300多亿光年之外的物体。
你问，这些天体怎么可能在300亿光年之外？
这是因为任何两点之间的空间——比如我们和我们观察的天体——随着时间的推移而扩大。我们所见过的最远的天体已经有134亿年的光程向我们移动；我们现在看到的是大爆炸后的4.07亿年，也就是宇宙现在年龄的3%。我们观察到的光被红移了大约12倍，因为观察到的光的波长比发出时长1210%。在那134亿年的旅程之后，这个天体现在距离地球约321亿光年，与不断膨胀的宇宙一致。
- 图注：已知宇宙中迄今发现的最遥远的星系GN-z11，其光来自134亿年前：当时宇宙只有其当前年龄的3%：4.07亿年。考虑到膨胀的宇宙，从这个星系到我们的距离是一个令人难以置信的321亿光年。
基于我们所做的全套观测，不仅测量物体的红移和距离，还测量宇宙大爆炸（宇宙微波背景）的余辉，星系的聚集和宇宙大尺度结构的特征，宇宙、引力透镜、星系群碰撞、任何恒星形成前产生的光元素的丰度等等——我们可以确定宇宙是由什么构成的，以及比例。
- 图注：距离/红移关系，包括从它们的Ia型超新星上看到的最远的天体。数据强烈支持加速的宇宙。注意这些线彼此不同，因为它们对应于由不同成分组成的宇宙。
今天，我们最好的估计是，我们生活在一个由以下组成的宇宙中：
- 0.01%的光子辐射，
- 0.1%的中微子，质量很小但不是零，
- 4.9%的正常物质，由质子、中子和电子组成，
- 27%的暗物质，
- 以及68%的暗能量。
这符合我们所有的数据，并导致了一个独特的膨胀历史，可以追溯到大爆炸的那一刻。从中，我们可以提取出可见宇宙大小的一个独特值：各向461亿光年。
- 图注：我们可见宇宙的大小（黄色），以及我们能达到的值（品红）。可见宇宙的极限是461亿光年，因为这是一个发出光的物体在离开我们138亿年之后，今天才到达我们的极限。
如果我们在一个有138亿年历史的宇宙中所能看到的极限真的是138亿光年，那将是一个非同寻常的证据，证明广义相对论都是错误的，物体不能随时间从一个位置移动到宇宙中更遥远的位置。大量的观测证据表明，物体确实在运动，广义相对论是正确的，宇宙正在膨胀，并由暗物质和暗能量的混合所支配。
当你把所有已知的东西都考虑进去时，我们发现一个宇宙，它始于大约138亿年前的一次大爆炸，此后一直在膨胀，其最远的光可以从距离我们461亿光年远的物体射向我们。在最遥远的宇宙边界，我们与我们所观察到的遥远的、未受束缚的空间之间的空间，继续以每年6.5光年的速度膨胀。随着时间的推移，宇宙的遥远之处天体将从我们的视眼中消失。
