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近處和遠處的星系比中間的要少，但這是由於星系合併和演化的綜合作用，同時也由於無法看到超遠的、超暗的星系本身。在理解來自遙遠宇宙的光如何發生紅移時，有許多不同的影響在起作用。當你看著滿布宇宙的恆星和星系時，和那些恆星和星系發出的光是不一樣的。在它到達我們的眼睛之前，發出的光必須經過很長的距離並與它道路上的每一個「障礙」作鬥爭。那麼我們如何知道我們所看到的光實際上告訴了我們什麼呢？
如果光在膨脹的空間中移動，那麼這種速度是導致空間膨脹的原因嗎？就光速而言，紅移或藍移意味著什麼？
這個星系的光來自大爆炸後的5億3千萬年前，但其中的恆星至少有2億8千萬歲了。它是第二遙遠的星系，光譜確認距離我們有307億光年。假設有一個遠在銀河系之外的天體。在你的腦海中，你可以簡單地畫一條直線，把遙遠的星系和我們連接起來，然後想像光沿著這條直線直接到達我們的眼睛。人們很容易做自己能想到的最簡單的事情：
計算這條直線的距離(以光年為單位)，想像一個光子離開它的母星系，沿著這條線走一段合適的時間(以年為單位)來穿越這段距離，然後看到光子到達這裡，也就是我們所在的地方。只是，當我們測量來自遙遠物體的光時，光會受到它所經過的所有東西的影響，我們最終觀測到的光與來自遙遠的河外光源發出的光非常不同。
星系離我們越遠，它發出的光就越紅。一個隨著宇宙膨脹而運動的星系距離我們的距離甚至會比它發出的光到達我們的時間還要長(乘以光速)。但是，如果我們把紅移和藍移歸結為運動(特殊相對論)和空間膨脹(廣義相對論)的共同作用，我們才能理解紅移和藍移。光，由於沒有靜止質量，但仍然攜帶著能量和動量，在宇宙中傳播時永遠不會減速。一個有質量的物體總是以比光速慢的速度運動——因為把它加速到光速需要無限的能量。
只有當它不是在真空中，也就是當光通過含有物質的介質時，它會減慢速度。這種減速會通過不同的量影響光的不同頻率(或顏色)，就像白光通過稜鏡時如何以不同的角度分裂成不同的顏色一樣，因為光的減速量取決於光子的個體能量。然而，一旦它回到真空中，它就會以光速繼續運動。唯一的區別是光線穿過介質後變得模糊了。
連續光束被稜鏡散射的示意圖。如果你有紫外線和紅外線的眼睛，你就能看到紫外線比紫光和藍光彎曲得更厲害，而紅外光的彎曲程度比紅光要小。光速在真空中是恆定的，但不同波長的光在介質中以不同的速度傳播。在相對論的早期，愛因斯坦的理論和他們的預測面臨著大量的挑戰。光在宇宙中總是以恆定的速度運動嗎？難道真的不需要媒介嗎？空間的結構真的會因為物質和能量的存在而彎曲嗎？宇宙真的在膨脹嗎？
另一種預測光在穿過空間介質時會失去能量。到達的光似乎比發出的光的能量少。光確實以恆定的、與波長無關的速度穿過真空空間，不需要介質。最令人興奮的是，宇宙結構確實在質量附近顯示出曲率，這與愛因斯坦的預測一致。
日全食時能看到日冕。通過正確的觀測，我們可以用牛頓引力的預測來檢驗愛因斯坦廣義相對論的正確性。1919年5月29日的日全食距今已經整整100年了，它或許標誌著人類科學史上最偉大的進步。但是，一個涉及引力紅移的完全不同的思想實驗可能在幾年前就證明了狹義相對論的不足。如果愛因斯坦的廣義相對論是正確的，那麼光速在宇宙中永遠不會改變。光能經歷的所有不同的事情，從穿過彎曲和膨脹的空間到穿過中間的物質，再到發射源和觀察者的相對運動，都能影響它，但不能改變它的速度。
光補償所有可能影響其能量的不同事物的方式是通過獲得或失去能量，即:
藍移對應的是能量的增加，波長的縮短和頻率的增加，或紅移，它對應的是能量損失，波長的延長和頻率的降低。如果我們把一切都考慮進去，我們會發現光在穿越宇宙的過程中有五種主要的方式受到影響。
這個簡化的動畫展示了在膨脹的宇宙中，光的紅移和未綁定的物體之間的距離是如何隨時間變化的。請注意，這兩個天體的距離比光在它們之間傳播的時間要近，光的紅移是由於空間的膨脹，兩個星系之間的距離比光子在它們之間交換的光的傳播路徑要遠得多。1)。空間的結構擴展了。這是造成我們看到的遙遠星系紅移的主要原因。光穿過空間的結構，自大爆炸以來，空間隨著時間的推移而膨脹，而膨脹的空間延伸了通過它的光的波長。
由於光的能量是由其波長決定的，所以發出光的星系越遠，光的紅移就越嚴重，因為越遠的星系需要更多的時間才能讓它們的光最終到達地球。我們天真的認為光沿著一條直線行進，不變的路徑只在一個非膨脹的宇宙中有效，這既不能描述我們所看到的，也不能描述廣義相對論所預測的。宇宙正在膨脹，這是我們看到的紅移的主要原因。
一個發光的物體相對於一個觀察者移動，它發出的光看起來會隨著觀察者的位置而移動。左邊的人會看到光源遠離它，因此光線會紅移，當光源向其移動時，位於光源右側的人會看到它藍移。2)。物體相對於我們的運動。就像警笛向你移動時音調更高，遠離你時音調更低一樣，我們所觀察到的光的頻率也會根據光源和觀察者的相對速度向更高頻率(藍移)或更低頻率(紅移)移動。
在天文學中，我們稱這種速度為「特殊速度」，因為它主要是由於與我們有關的星系的速度，通常是每秒幾百公裡或幾千公裡。兩個距離相同的星系，它們的紅移或藍移可能有顯著的不同，特別是在富星系群中。事實是，我們可以解釋和量化這一點，明確地告訴我們，這不是宇宙紅移的主要貢獻者。
一個遙遠的背景星系被其間的星系團嚴重地透鏡化，以至於可以看到三個背景星系的獨立圖像，它們的光旅行時間明顯不同。3)。引力透鏡。宇宙的結構不僅是膨脹的，它還因為宇宙中物質和能量的存在而彎曲。這種曲率意味著兩點之間的距離不是一條直線，而是一條貫穿空間的彎曲路徑。根據彎曲的空間的多少，這可能會使光的到達比沒有這些質量和額外的曲率時所需的時間延遲更多的時間，這意味著光必須比其傳播更長的時間。 ，通過不斷擴展的宇宙。
這種額外的時間延遲意味著光會經歷額外的紅移，通過不同的路徑在更多(或更少)的嚴重彎曲空間中呈現多個圖像，也會對不同的圖像產生不同的紅移。廣義相對論要求這種效應存在，即使我們的天文設備還沒有先進到可以探測到它。
哈勃太空望遠鏡拍攝的圖片顯示了一個巨大的星系團，在黑暗中明亮地發光。中心的大星系是星團中最亮的星系，在它上面可以看到一個彎曲的引力透鏡弧。這就是遙遠宇宙的大片區域。4)。與物質的相互作用。宇宙大部分是空的，但物質仍然存在。特別是，大部分物質以氣體(溫度不同)或電離等離子體的形式存在。當光穿過物質與帶電粒子(尤其是電子)發生相互作用時，其中一些光會被激發到更高的能量，而不再被觀測到，從而改變了光的光譜。
雖然這對於大爆炸遺留下來的光來說是最容易觀察到的，但原則上它發生在所有形式的光中，並且在到達我們的探測器之前改變我們所觀察到的光的溫度和光譜。由於氣體/等離子體與通過它的光相互作用的溫度、運動和極化，它會影響光。在實踐中它只起很小的作用，但卻是實實在在的效果。
當一顆恆星接近併到達圍繞恆星質量或超大質量黑洞的軌道邊緣時，它的引力紅移和軌道速度都會增加。如果我們能測量繞軌道運行的恆星的適當影響，我們就能確定中心黑洞的性質，包括它的質量，以及它是否遵循狹義相對論和廣義相對論的規則。5)。引力紅移。當你是一個發出光的巨大物體時，光必須從質量產生的引力勢中爬出來。由於光不能減速(它總是以光速運動)，這意味著它必須損失能量才能到達星際空間或星系間空間。同樣地，在那束光到達你的眼睛之前，它必須落入我們自己的局部群體、星系和太陽系的引力勢中，引起能量增益和藍移。
所有這些都會影響光的頻率。除此之外，隨著時間的推移，宇宙中的結構會積極地形成，因此光子落入的引力勢(比如，如果它穿過一個星系團)可能與數百萬年後光子爬出它時的引力勢不同。這些效應——引力勢和引力勢的變化——已經被探測到，並有助於最終觀測到的光的紅移。
哈勃極深視野的一部分，在全紫外光-可見光-紅外光線下，這是迄今為止獲得的最深的圖像。這裡顯示的不同星系的距離不同，紅移也不同，這讓我們能夠理解宇宙今天是如何膨脹的，以及膨脹率是如何隨時間變化的。在真空的空間中光速永遠不變，只有當穿過一種介質時(也只有當光通過這種介質時)，光速才與宇宙的極限速度c不同。然而，當光在宇宙中穿行時，有五種真實的效應會導致紅移或藍移，而最重要的教訓是，我們可以從數量上解釋所有這些效應。
這就是宇宙中物質的作用，空間的擴展和演變，以及不同的質量和能量形式是如何穿過並影響這個空間的。所有這些都影響著穿越太空的光，但不是通過改變它的速度。相反，它們改變了光的傳播路徑和光所擁有的波長，這就造成了所有的不同。只有把所有的影響都考慮在內，我們才能真正理解光在膨脹的宇宙中傳播時發生了什麼。