为什么有些恒星发出的光线，至今还没有到达地球？

静态宇宙到动态宇宙

这个问题说白了就是一个速度追及问题，追及的对象分别为光线和宇宙空间本身。在历史上很长一段时间，人们普遍认为宇宙空间处于一个相对静止、均匀且没有边界的状态，从这个理论出发，自然就会推导出无论距离地球多远的恒星，只要假以时日，从它们表面发出的光线自会到达地球。

就连爱因斯坦早期也认为宇宙是一个完全“静止”的空间，在提出广义相对论以后，对表述万有引力本质的引力场方程加上了一个宇宙常数，借以消除引力对星体之间相互“牵引”的趋势，从而在理论上保证宇宙的“静止”状态。

在19世纪初，科学家们对来自宇宙遥远区域的一种特殊星体产生了浓厚兴趣，这种星体的光亮度会随着时间呈现周期性的变化，后来科学家们将这样的星体称为变星，而关于这些星体是否处于银河系内，科学家争论了很多年。

到19世纪20年代，美国科学家哈勃利用天文望远镜，对仙女座星系中的变星进行了长期观测，根据变星光亮度的变化与距离之间的关系，测算出目标星系距离地球254万光年，与银河系的尺寸相比较，从而确认了河外星系的存在。

与此同时，哈勃又顺带着对若干河外星系之间的距离进行了研究，结果发现，来自遥远星系所发出的光线光谱，也明显地向红端移动的现象，而根据开普勒效应，这种现象的产生根源在于目标光源与观测者之间的距离正在逐渐拉大，而且距离地球越远，距离被拉大的效果越明显，从而确认了宇宙正在加速膨胀的事实。爱因斯坦亲自看到哈勃的观测结果后，不得不承认了宇宙空间并非完全静止的事实，于是在引力场方程中不得不将宇宙常数删除。

宇宙的膨胀

哈勃在此发现基础之上，又进行了深入研究，提出了目标星系退行地球的速度与它们和地球之间的距离成正比的结论，这就是著名的哈勃定律，表达式为Vx=H*D，其中Vx为相对于地球的退行速度，H为哈勃常数，D为目标星系与地球间的距离。为了准确地测算哈勃常数，在2013年的时候，欧洲航天局利用普朗克卫星进行了精密测量，结果为67.8±0.77（km/s）/Mpc，意思是在距离地球百万秒差距（Mpc，约326万光年）的区域，目标星系退行的速度为67.8±0.77公里每秒。

根据哈勃的观测结果，科学家们利用宇宙膨胀的事实进行反推，并结合宇宙微波背景辐射的观测结果，推测出在距今138亿年前，现有宇宙中的所有物质，都全部来源于一个质量无限大、温度无限高、密度无限大的点－奇点，奇点之外没有任何的空间和时间。

在能量涨落的作用下，138亿年前奇点发生了大爆炸，在随后的一个普朗克时间内，巨大的能量推动了宇宙空间的暴涨，在20分钟左右的时间就几乎达到了现有宇宙的尺度级别。而在大爆炸之后的38万年之后，随着空间温度的缓慢回落，宇宙中才开始形成第一批中性原子（以氢和氦为主），这个时候原始宇宙的星云团才开始形成，光线从中才开始逃离出去，这也是科学家们定义的“光子退耦”现象。

在奇点大爆炸之后的几十分钟时间内，整个宇宙空间是在巨大的能量释放作用下急速膨胀的时期，此后整个宇宙空间仍然是处于不断加速膨胀的状态，一直持续到大爆炸之后的45亿年左右。

此后，通过大爆炸产生的各种自由原子逐渐聚合形成了第一批恒星，然后是行星、卫星等星体，在引力的作用下，宇宙膨胀的速度逐渐减慢。按照科学家们的判断，宇宙空间中除了常规物质以外，其他占据绝大部分的是暗能量和暗物质，其中暗能量是一种压强为负、起到排斥作用的物质，在大爆炸45亿年之后，暗能量的作用效果超过了引力和暗物质的吸引作用，宇宙又开始进入加速膨胀时期，截至目前这种加速膨胀的趋势依然存在。

光的传输速度跟不上空间膨胀的速度

那么，在宇宙加速膨胀刚开始时，之前已经到达地球的光线，我们在地球上目前还能够捕捉到它们的身影，据此我们就可以观测到来自遥远星系或者恒星。而在宇宙加速膨胀的影响下，在大爆炸之后的138亿年的现在，我们的观测极限距离约为465亿光年，这个半径就是目前可观测宇宙的范围，超出这个范围的光线，由于空间膨胀的速度（即目标星体退行的速度）超过了光线的传播速度，从目前看已经无法再进入我们的视野。

有科学家们通过对测算现有宇宙的平均能量密度、空间膨胀速度等方面的数值，推测出现有宇宙的平均曲率，结果显示并不是呈现负值的开放型，也不是呈现正值的闭合型，而是几乎是没有曲率的平坦型，精度为99.6%左右，但就是这一点点的差值，可能给了我们对不可观测宇宙范围的界定提供了宝贵的数据，根据这0.4%的差异，则可以推算出不可观测宇宙的范围至少是现在可观测宇宙的250倍，也就意思着我们所处的宇宙整体空间的半径，将达到23万亿光年。

另外，根据哈勃定律，我们可以测算出在现有可观测宇宙的范围内，即使在144亿光年处的恒星，由于其相对于地球的退行速度已经达到光速，所以如果以现在为起点，这些恒星发出的光线已经无法再到达地球，我们看到的都是它们之前发出且已到达地球上的光子。