巨大星系群MACS J1149.5+223發出的光經過50億年才到達地球，是哈勃前沿領域項目的目標之一。這個巨大的物體在引力作用下對它後面的物體進行透鏡化，對它們進行拉伸和放大，從而使人們能夠看到比相對空曠的區域更遙遠的太空深處。透鏡星系是所有星系中距離最遠的，可以用來測試宇宙紅移的性質。在物理學中，一個問題通常有多種解決方案，它們會得出同樣的結果。然而，在宇宙中，一個問題通常只有一種解決方案。擺在科學家面前的巨大挑戰是弄清楚大自然允許的可能性中，哪一種是最真實的。膨脹的宇宙到底是怎樣的呢？
當我們觀察一個遙遠的星系時，來自星系的光要麼由於空間膨脹而紅移，要麼實際上星系正在遠離我們。那麼我們如何區分宇宙紅移和都卜勒紅移？
宇宙的超遠視圖顯示星系正以極快的速度遠離我們。在這些距離上，星系看起來更多、更小、進化程度更低，而且與附近的星系相比，它們會以更大的紅移後退。當你看著天空中一個遙遠的物體時，可以通過觀察它的光來了解它。恆星將根據它們的溫度和速度而發光。當我們觀察一個遙遠的星系時，需要數百萬、數十億甚至數萬億顆恆星來組成我們所看到的光。
但是有大量的信息是用這種光編碼的，天文學家已經知道了如何提取它。通過光譜學的光學技術，將到達的光分解成單獨的波長，可以在光的連續背景中找到特定的發射和吸收特徵。無論原子或分子存在於何處，只要能量水平合適，它就會吸收或發出具有明確特徵頻率的光。
太陽的可見光光譜，它不僅幫助我們了解太陽的溫度和電離，而且還幫助我們了解太陽上存在的元素的豐度。這條又長又粗的線是氫和氦，但其他每條線都來自於一種重元素，而這種元素一定是在上一代恆星中產生的，而不是熱大爆炸。這些元素都具有對應於顯式波長的特定特徵。一個原子是中性的，電離了一、二、三次，還是在一個分子中結合在一起，將決定它發出或吸收的特定波長。當我們發現同一原子或分子發出或吸收多條線時，就能唯一地確定它在我們所觀察的系統中的存在。同一類型的原子、離子或分子所發射和吸收的不同波長的比率在整個宇宙中從未改變。
但是，即使原子、離子、分子和控制它們躍遷的量子規則在空間的任何地方、任何時間都是恆定的，我們所觀察到的也不是恆定的。這是因為我們觀察到的不同物體，它們的光可以有系統地移動，保持波長比不變，但總波長要移動一個整體乘以因子。
我們觀察到的一些物體顯示出特定原子、離子或分子的吸收或發射光譜特徵，但它們有一個向光譜的紅端或藍端系統轉移的過程。但是，為什麼我們從遠處物體上觀察到的光，會以相同的比例，在每一個物體上的所有線條上同時發生移動？
第一種可能是我們經常遇到的：都卜勒頻移。當一個發出波的物體向你移動時，你接收到的波峰之間的空間就會變小，因此你觀察到的頻率會向高於源發出的頻率的方向移動。類似地，當發射器遠離你時，波峰之間有更多的空間，因此你觀察到的頻率會向更長的值移動。從移動的車輛發出的聲音——警笛聲、救護車聲、冰淇淋車聲——你可能已經很熟悉了，但光源也會發出類似的聲音。
當一個物體以接近光速的速度運動時，它發出的光會隨著觀察者的位置而發生位移。左邊的人會看到光源遠離它，因此光線會紅移，當光源向右移動時，光源右邊的人會看到它藍移，或者移到更高的頻率。然而，還有第二種可能：這可能是一種宇宙學上的轉變。在廣義相對論中，物理上不可能有一個充滿物質和輻射的靜態宇宙。如果我們有一個宇宙，在最大的尺度上，到處充滿等量的能量，那麼這個宇宙要麼膨脹要麼收縮。
如果宇宙膨脹，從遙遠的光源發出的光的波長會隨著空間結構本身的膨脹而拉長，從而導致紅移。同樣，如果宇宙收縮，發出的光的波長會被壓縮，導致藍移。
這幅圖說明了紅移如何在膨脹的宇宙中起作用。當一個星系變得越來越遠時，它必須在不斷膨脹的宇宙中行進更長的距離和更長的時間。如果宇宙在收縮，光就會出現藍移。當我們觀察宇宙中實際存在的星系時，絕大多數星系不只是紅移，它們的紅移量與它們到我們的距離成正比。一個星系離我們越遠，它的紅移就越大。
20世紀20年代末，喬治·勒邁特、霍華德·羅伯遜和埃德溫·哈勃等科學家首次提出了這一觀點。即使在早期，這一觀點也被認為是支持宇宙膨脹的壓倒性證據。換句話說，近一個世紀以前，人們已經接受了這樣的解釋，即紅移距離關係是由空間膨脹而不是都卜勒頻移引起的。
1929年哈勃望遠鏡對宇宙膨脹進行了最初觀測，隨後進行了更詳細但也不確定的觀測。哈勃的圖像清楚地顯示了與它的前輩和競爭對手相比，具有優越數據的紅移距離關係。事實證明，對於我們所觀察到的紅移距離關係，實際上有四種可能的解釋：
來自這些遙遠星系的光在穿越太空時變得「疲憊」並失去能量。星系是由最初的爆炸演化而來的，到目前為止，爆炸將一些星系推得離我們更遠。星系運動迅速，隨著時間的推移，運動越快、紅移越高的星系離我們越遠。空間本身的結構在膨脹。幸運的是，有一些觀察的方法可以區分這些選項。
根據疲勞光假說，我們每秒從每個物體接收到的光子數與距離的平方成正比，而我們看到的物體數則隨著距離的平方成正比增加。物體的顏色應該更紅，但是每秒發射的光子數量應該是恆定的，這是距離的函數。然而，在一個不斷膨脹的宇宙中，隨著時間的推移，我們每秒接收到的光子越來越少，因為隨著宇宙的膨脹，光子必須走得更遠，而紅移也減少了能量。即使把星系演化因素考慮在內，也會導致地表亮度的變化，而這種變化在很遠的地方就會變得更加微弱。首先是觀察遙遠星系的表面亮度。如果宇宙不膨脹，一個更遙遠的星系會顯得更暗淡，但是一個均勻的星系密度會確保我們在看的更遠的地方遇到更多的星系。在宇宙中，當光線變得疲憊不堪時，我們就會從越來越遠的星系中獲得恆定數量的光子密度。唯一的區別是，星系越遠，光的顏色就越紅。
這被稱為託爾曼表面亮度測試，結果表明，遙遠星系的表面亮度隨著紅移而降低，而不是保持不變。
從12萬個星系的紅移和大規模結構的形成，推斷出它們的三維重建及其聚類特性。來自這些調查的數據使我們能夠進行星系深度計數，科學家們發現這些數據符合一個膨脹的場景，而不是最初的爆炸。爆炸假說很有趣，因為如果我們看到星系向四面八方遠離我們，我們可能會忍不住得出這樣的結論：很久以前就有過一次爆炸，我們看到的星系表現得像向外移動的彈片。然而，如果是這樣的話，這應該很容易探測到，因為在距離最大的地方，每單位體積的星係數量應該更少。
另一方面，如果宇宙在膨脹，我們實際上應該期望在最大距離的單位體積上有更多的星系，而這些星系應該更年輕，進化更少，質量和大小更小。這是一個可以通過觀測來解決的問題，而且相當明確：深星系計數表明宇宙在膨脹，而不是星系被拋到離爆炸很遠的地方。
基於運動的紅移/距離解釋(虛線)與廣義相對論(實線)對膨脹宇宙中距離的預測之間的差異。毫無疑問，只有廣義相對論的預測與我們所觀察到的相符。最後，有一個直接的紅移距離測試可以確定紅移是由於都卜勒運動或膨脹的宇宙。測量物體的距離有不同的方法，但最常見的兩種方法如下:
角徑距離，你知道一個物體的物理尺寸，並根據它的大小來推斷它的距離。光度距離，你知道一個物體本質上有多亮，並根據它看起來有多亮來推斷它的距離。當你向外看遙遠的宇宙時，光必須穿過宇宙從發光物體到達你的眼睛。當你根據你的觀察計算重建到目標的適當距離時，毫無疑問：數據與膨脹的宇宙的預測相一致，而不是與都卜勒解釋相一致。
這張圖片顯示了SDSS J0100+2802(中心)，早期宇宙中最亮的類星體。它的光來自於宇宙只有9億年的時候，而我們今天有138億年的年齡。根據它的性質，我們可以推斷到這個類星體大約280億光年的距離。