光度距离和哈勃距离

由于宇宙的浩大，又受各种光学仪器分辨角的限制，用三角视差法能定出距离的恒星是很少的。要测定更远恒星的距离必须利用其他方法。由于遥远恒星星光的视光度是与距离的平方成反比的。因此，如果我们能利用一些物理判据确定某类天体的绝对星等，那么观测这类天体的视星等的大小就可以确定它们的距离。用这种方法测定的天体距离，称为天体的光度距离，而能借以推断光度距离的天体称为 “标准烛光”。最初选为标准烛光的天体为造父变星 （造父变星是一种周期性脉动的变星，它的光变周期与绝对星等的变化具有确定的关系，即周光关系。仙王座δ是这类变星中第一颗被证认出的，由于我国古代将 “仙王座δ”称做 “造父一”，所以天文学家便把此类星都叫做造父变星）。并利用周光关系进行更细的分类，将距离精度提高。美国天文学家哈勃，利用他当时的望远镜确定了河外星系的存在，并发现河外星系的光谱线的红移与其距离成正比的关系，由此推出宇宙正在膨胀的惊人结论。天体物理学家由此推演出宇宙大爆炸学说，所推出宇宙物质成分的氦丰度和宇宙微波背景辐射，后来得到了观测的证实。由此，河外天体的红移大小就成了一种新的距离判断标准。这样定出的天体距离称为“哈勃距离”。根据哈勃距离关系和河外天体红移的观测数据，可以推测出我们的宇宙的哈勃半径约为100亿光年。而宇宙的年龄一般认为是100亿～200亿年。这就是目前天文学家所观测到的宇宙空间。它是一个遵从弗里德曼 罗伯逊沃尔克度规的加速膨胀的有限空间。

揭示宇宙膨胀的哈勃图

下表给出了目前天文学所观测到的几类典型天体的距离尺度：

典型的天文距离尺度

这里顺便指出，通常人们往往易于误会的是：既然哥白尼原理指出，宇宙是无中心的，那么宇宙膨胀，地球上的观测者，看到四面八方的星系都相对地球退行而使星系的相对距离在各个方向都不断加大，这样地球岂不又成了宇宙的中心？其实这涉及宇宙的平直性或弯曲性质，人们往往把宇宙空间当作平直的来理解，因此宇宙膨胀的观测性质似乎导致地球是宇宙的中心！其实如果宇宙的测地线是弯曲的，例如是一个椭圆或圆，那么地球和其他天体都分布在一条圆周上，如图所示的一个圆桌会议座位的分布，当圆桌膨胀时，从任意一个座位向两边看过去，都具有膨胀速度与距离成正比的特征，但每个座位都是平权的，没有哪一个座位是中心。所以国际会议往往采用圆桌会议，避免哪一国的代表处于特殊的中心位置！

圆桌会议上座位的分布图

与空间有关的另一个涉及宇宙的拓扑性质的问题是连通性问题。通常，我们习惯于单连通的概念，也就是说在空间内任作一条闭合曲线，可以连续地收缩到长度为零的状态。但如果宇宙空间整体上像一个面包圈，数学上称为二维环面，如下图所示。图中凡类似于地球纬线的圆均可在环面上连续地收缩到零，而类似于经线的圆它们都穿过了环面中心的孔，这一族环线都不可能连续地收缩到零。如果我们的宇宙是属于多连通的，那么连接宇宙中的任意两点，就可能有多条测地线。因此，在宇宙足够远的地方如果有一个天体，观测者就可能看到几个不同距离的 “鬼象”。天文学家曾用这类模型来解释类星体的红移和计数直方图中出现的周期现象。而流体力学的研究中往往会涉及空间的连通性质。

嵌入三维欧氏空间的二维环面

这里特别要指出的是：宇宙空间究竟是弯曲的或平直的、是单连通或多连通的，它们都是只能通过观测加以检验的问题，而不是凭哲学思辨或什么新理论能够证明的问题！但每一种物理理论可以从特定的连通性和弯曲性出发，作为自己的工作假设，也就是说，可采用不同的方式来定义时空度规，并以推导出的结果于观测或实验的符合程度，作为理论正确与否的判据。

Ia型超新星的理论模型

为了对更遥远的天体距离寻找更多的依据，人们又分析了所观测到的超新星爆发的光变特征，并认为Ⅰa型超新星可以作为标准烛光。依据对大红移Ⅰa型超新星光度距离的测定，再对比其哈勃距离，天文学家发现我们的宇宙正在加速膨胀，这一结论又进一步得到微波背景辐射观测的支持。因此是什么因素致使宇宙至今仍处于加速膨胀成了当前物理学和天体物理学及宇宙学的重大困惑之一。而此观测结果，获得2011年诺贝尔物理学奖。在对超新星的发现和观测工作中，我国旅美青年天文学家李卫东博士做出了卓越贡献，遗憾的是他于当年12月12日英年早逝，年仅43岁。

以上就是人类关于空间概念的形成及不同空间层次的度量方法及人类迄今为止所观测到的宇宙空间，及其相关尺度的比较，及今天的宇宙空间正处于加速膨胀状态。宇宙处于加速膨胀的观测事实对人类宇宙观的冲击，犹如当年哥伯白尼日心说对人类以我为核心地位的冲击。因此如果人们尚不知道宇宙加速膨胀这个事实就像还不知道地球是围绕太阳运动的行星一样。