100年前，人类对宇宙的认知被彻底颠覆。埃德温·哈勃借助先进望远镜，结合勒维特和沙普利的研究成果，发现仙女座是独立星系，这一发现让宇宙尺度大幅拓展，帮你读懂人类探索宇宙的关键一步。
里希将发现银河系外宇宙的过程，描述为一场历经数世纪的认知革命。他提到，随着新发现不断涌现，我们对自身在宇宙中位置的理解也逐渐清晰。不过，哈勃的研究主要得益于两个人——亨丽埃塔·斯旺·勒维特和哈洛·沙普利。
勒维特曾在哈佛学院天文台担任“计算员”，负责分析天文台望远镜拍摄的照相底片。她重点研究了大小麦哲伦云的图像，并在其中识别出1800颗变星。在1908年和1912年发表的两篇论文中，勒维特发现许多变星都具有独特的“周光关系”。也就是说，她意识到恒星周期性脉动、收缩膨胀导致亮度变化的周期，与其自身的发光强度相关。
这是一项至关重要的发现。假设你发现了一颗这类变星（后来被称为造父变星），或许你不知道它距离地球有多远，但根据造父变星的光变周期，就能算出它的内在发光强度。之后，只需将其真实发光强度与夜空中观测到的亮度进行对比，就能算出这颗恒星的距离。即便在今天，勒维特提出的周光关系，仍是科学家测量宇宙距离的关键理论。
与此同时，哈洛·沙普利在哈勃的研究故事中虽起了奠基作用，但其观点却颇具讽刺意味——他并不相信银河系之外还有其他天体。20世纪初，望远镜的分辨率不足以观测到其他星系中的单个恒星，因此螺旋星系看起来就像模糊的“螺旋星云”。沙普利认为，这些螺旋星云只是银河系边缘正在形成的恒星。
沙普利的目标是测量银河系的大小（在他看来，这也就是宇宙的大小），为此他构建了首个正式的“宇宙距离阶梯”。他在银河系中发现的造父变星，是这个阶梯的第一级。接下来是天琴座RR型变星，这是另一种变星，与造父变星类似，也具有周光关系，其距离可通过与造父变星对比来校准。最后，他利用天琴座RR型变星，校准了银河系边缘普通大质量亮星的距离。
沙普利测算出银河系直径为30万光年，太阳系距离银河系中心5万光年。如今我们知道，更精确的数值分别是10万光年和2.6万光年。尽管如此，沙普利的研究仍是“宇宙距离阶梯”的首次应用。1920年4月，沙普利还与天文学家希伯·柯蒂斯在华盛顿特区的美国国家科学院展开了“大辩论”，探讨螺旋星云的本质。柯蒂斯认为螺旋星云是独立的星系，但他提出银河系直径仅为1万光年；沙普利则持相反观点。
1919年，埃德温·哈勃加入了美国加利福尼亚州的威尔逊山天文台。两年前，该天文台的胡克望远镜刚刚投入使用，这是当时世界上最大的望远镜。
“哈勃的突破，离不开威尔逊山天文台的100英寸（约2.5米）胡克望远镜。”里希表示，“正是因为能使用这种最先进的技术，哈勃才得以取得这一发现。”
胡克望远镜是天文台台长乔治·埃勒里·黑尔的构想。当时，加利福尼亚州慈善家约翰·胡克捐赠了4.5万美元，这台望远镜的设计目标之一就是解开螺旋星云之谜。
在继续讲述之前，还有一个重要人物不得不提——米尔顿·哈马森。最初，他只是个“骡夫”，在天文台建设期间用骡子将建筑材料和设备运上威尔逊山。后来，他成了天文台的看门人，之后又担任天文学家的助手。哈马森和哈勃在望远镜旁几乎形影不离，尽管没有博士学位，哈马森本人也取得了多项天文学发现，理应与哈勃共享这份荣誉。
一切准备就绪后，哈勃和哈马森开始用胡克望远镜观测螺旋星云。1923年，他们成功拍摄到仙女座螺旋星云（梅西耶31）的图像，而这张图像揭示了一个极具特殊意义的现象。
“哈勃看到这张图像时非常兴奋，他在黑白玻璃底片上写下了‘VAR!’（变星的缩写），因为他发现了造父变星的痕迹。”里希说道。这颗造父变星后来被简单地命名为“V1”。“他知道，凭借亨丽埃塔·勒维特和哈洛·沙普利的研究成果，这意味着他首次有能力测量螺旋星云的距离。”
他确实做到了。哈勃计算出该星云距离地球93万光年，虽然这还不到真实距离（250万光年）的一半，但尽管哈勃的初步计算存在局限（即便在今天，宇宙距离阶梯仍在不断完善），这一结果仍清楚地表明，仙女座螺旋星云位于沙普利测算的银河系边界（30万光年）之外。梅西耶31并非螺旋星云，而是一个螺旋星系。
哈勃给沙普利写了一封信，告知他这一发现。沙普利读完信后评论道：“这封信摧毁了我的宇宙观。”
1924年11月，哈勃向《纽约时报》“透露”了这一发现。因此，次年1月在美国天文学会会议上的正式发布（实际上由天文学家亨利·诺里斯·拉塞尔代为宣读，哈勃本人并未到场），只是官方层面的公布——事实上，人们在此之前就已经知晓了这一消息。
如今，我们理所当然地认为宇宙中布满了星系：有些像银河系和仙女座星系一样是螺旋星系，有些是巨大的椭圆星系，还有一些是小型矮星系。据最新统计，可观测宇宙中估计存在多达2万亿个星系。然而，里希指出，哈勃这一划时代的发现，其实发生在相对较近的时期。
“100年的时间并不算久远。”他说。事实上，世界上仍有一些人年龄超过100岁，他们出生的年代，人类还不知道其他星系的存在。“这充分说明，人类对宇宙的认知变化之快，新发现也可能突然降临。”
如今，那张记录着造父变星V1、角落处有哈勃潦草写下“VAR!”的照相底片，已成为珍贵的科学文物。或许在一千年后，会有像“科学印第安纳·琼斯”这样的人去寻找它。幸运的是，你无需经历那样艰难的旅程就能看到它。这张底片通常被妥善保管，目前在洛杉矶县立博物馆举办的“绘制无限：跨文化宇宙学”展览中展出，展出时间为几个月。
而哈勃并未就此止步。他后来提出的星系形态“音叉图”，至今仍是天文学家的经典教学工具。尽管该图所描述的星系演化过程与实际情况相反，但专业天文学家仍在使用音叉图中“早型星系”和“晚型星系”的命名方式。
随后在1929年，哈勃发现宇宙中几乎所有其他星系都在远离我们。这一结论部分基于天文学家维斯托·斯里弗的红移测量数据，也与比利时物理学家、神父乔治·勒梅特的理论研究相符——勒梅特推导出了后来被称为“哈勃-勒梅特定律”的理论，该定律描述了宇宙的膨胀现象。
在短短五年内，人类对宇宙的认知从“银河系就是一切”，转变为“宇宙是无限且不断膨胀的”。这无疑是一次范式转移。而在这一时期前后，阿尔伯特·爱因斯坦于1915年发表了广义相对论，以尼尔斯·玻尔为首的世界顶尖物理学家也在探索量子物理领域。哈勃的发现，成为这一科学变革时代的关键支柱，塑造了我们如今对宇宙的理解。如今，暗物质、暗能量、量子引力理论的探索、哈勃张力以及宇宙大爆炸成因等谜团仍困扰着物理学家，或许现在正是迎来另一场类似百年前的科学变革的好时机。
宇宙探索的脚步仍在刷新人类认知。若获一次深空实验名额，你选研究黑洞、系外行星还是早期宇宙？说说你选择的理由，一起畅想宇宙奥秘。
