图注：有一大套科学证据支持膨胀的宇宙和大爆炸的画面。但是在一个暗能量的宇宙中，位于宇宙最大距离的物体实际上看起来会比同样大小的物体更靠近。这是它背后的反直觉科学。
直观上，我们都知道，当我们看到一个物体的图像时，它可能是大而远或小而近。 只有进行三维测量，我们才能真正知道实际情况。 但是，随着距离的变化，不断膨胀的宇宙提出了一个独特的挑战：一个较小的宇宙中存在着更远的物体，这使得更远的物体实际上看上去比一个类似尺寸的更近物体更大的可能性。真的是这样吗？ 由于宇宙的膨胀，古星系在我们看来比它们真正大吗？
您看得越远，同样大小的对象就会越小。但只是到了一点，然后那个相同大小的对象实际上会再次显得更大。这是违反直觉但非常非常真实的现象背后的科学。
图注：尽管人头比此处所示的拇指和食指之间的距离大得多，但由于与相机的相对距离，它们看起来角大小相同。在膨胀的宇宙中，角直径的概念有些违反直觉。
您是否曾经用两只手指靠近您的眼睛，看着附近的人，并假装低头？ 长期以来，这款游戏一直是年幼儿童最喜欢的游戏，它的工作原理仅在于角度大小的数学。
与物理尺寸（固体物体的固定尺寸）不同，可以通过将物体移近或移开来更改其角度大小。 由于透视的缘故，长30厘米的标尺与90厘米的标尺的长度似乎相等，标尺距离更远三倍。同样的概念不仅适用于在地球上看到的任何物体，而且还适用于宇宙中的任何地方。
从尺子到星系，任何物体的角度大小都取决于物体的实际大小及其与我们的距离。
图注：阳光作为距离的函数传播的方式意味着，离电源越远，你截获的能量就会在距离上以平方的方式下降。这还说明，如果从原始源的角度查看方块，则距离较大的对象在天空中看起来会占据相同的角度大小。
您可能天真地认为，您感知到的对象的大小将仅取决于其实际大小及其与您的距离。如果您将满月之类的物体拿走，它在目前约380,000 km的距离上在天空中占据0.5°，并将其移动一千、一百万甚至十亿倍的距离，那么它将占据千分之一 等于其当前角度大小的百分之一或十亿分之一。
如果我们的宇宙是静态的，空间上平坦的并且随着时间而变化，那么这将是正确的。 但是这种描述根本不适合我们的宇宙。恰恰相反，宇宙本身正在膨胀，并且膨胀速度随着时间而变化。如果我们想了解角度大小实际上是如何作为距离的函数，那么我们的幼稚近似值仅适用于小尺度：宇宙膨胀和演化可以忽略。
图注：可观测宇宙的大小/尺度与宇宙时间经过的图形。这显示在日志规模上，并确定了几个主要的大小/时间里程碑。注意早期辐射主导时代、最近物质占主导地位的时代以及当前和未来呈指数级扩张的时代。
但是宇宙本身正在膨胀。早期，辐射是主要因素，能量密度随着体积的增加和辐射波长的延长而下降。 最终，辐射密度降到了物质密度以下（请注意上图中直线的斜率变化），并且宇宙成为了以物质为主的位置，其中物质密度仅受宇宙体积的增长影响。
最后，大约在60亿年前，由于暗能量保持恒定的能量密度，而与宇宙的膨胀无关，暗能量的作用开始主导物质的作用。有大量证据支持这一宇宙图景，但是这种不断变化的扩展率不仅影响各种物体离我们的距离，而且还影响它们看起来的大小（在角度大小方面）。
图注：测量宇宙大距离的两种最成功的方法是基于其表面亮度（L）或其表面角尺寸（R），这两种方法都是直接可观测到的。如果我们能够理解这些物体的内在物理特性，我们可以将它们用作标准蜡烛（L）或标准标尺（R），以确定宇宙在宇宙历史中是如何扩张的，因此由它组成什么。
想象一下，您正在查看的对象仅由两盏灯组成：一根在否则看不见的杆的两端。如果宇宙是平坦且不变的，则看到这两个灯光分开的角度将直接与它们之间的距离及其与您的距离有关。这将是简单的几何 而已。
但是，如果宇宙的形状和大小随着时间的推移而发展（这是我们由辐射，物质和暗能量绝对构成的不断膨胀的宇宙），那么我们必须考虑到这一点。我们必须查看各个光子所遵循的路径，并记住这个非常重要的难题：数十亿年前，相同大小的天体在宇宙缩放中所占的比例要大于后来的相同天体。
图注：宇宙的预期命运（前三幅插图）都与宇宙相对应，物质和能量与初始膨胀速率相对抗。在我们观测到的宇宙中，宇宙加速度是由某种暗能量引起的，这是迄今为止无法解释的。所有这些宇宙都受弗里德曼方程的支配，这些方程将宇宙的膨胀与宇宙中存在的各种物质和能量联系起来。注意在暗能量的宇宙中（底部），膨胀率在大约60亿年前是如何做出艰难转变的。
如果我们只有一个静态的宇宙，那么对象的角度比例会随着您按照天真期望的方式走得越远，显得越小。
如果我们有一个膨胀的宇宙，其中仅包含物质，则角度比例将以数量上不同的方式逐渐变小，但是您看得越远，相同尺寸的物体看起来总是比相同物体的近距离物体小。
但是我们实际拥有的是一个充满了暗能量的宇宙，角标度做了一些非常不同的事情。您看得越远，相同大小的对象看起来就越小，但只能到一定程度。 超过这一点，该对象实际上将再次看起来更大。
图注：哈勃望远镜拍摄的宇宙深场的一部分，在紫外-可见光下，得到有史以来宇宙最深的图像。这里展示的不同星系处于不同的距离和红移，让我们了解宇宙今天是如何膨胀的，以及膨胀速率是如何随着时间而改变的。
我们可能会认为，当我们查看宇宙的深视场时（例如上面显示的哈勃宇宙深场的一部分），最小的星系也将是最遥远的星系。如果您拥有一个与我们的银河系相同大小的星系，横跨约100,000光年，它越远，它看起来就越小。
事实证明这是对的。在我们以暗能量为主导的宇宙中，如果将银河系与仙女座星系的距离设置为大约250万光年，则银河系在天空上会占据2度多一点的位置。距离越远，显示的尺寸越小，最小尺寸仅为3.6弧秒（约0.001度）。
该最小角尺寸对应于约146亿光年的距离。但是，我们可以观察到的宇宙所走的远不止于此：在各个方向上达到约460亿光年。
图注：距离/红移关系，包括最遥远的物体，从Ia型超新星中看出。数据强烈支持宇宙加速度，即使现在其他数据片段存在。超过约4.5Gpc的距离（相当于大约146亿光年），物体的角大小将显得增加，而不是增加。
我们可以选择以与天文学家相同的方式来思考宇宙：要注意，无论我们向后看多远，天空始终具有相同的平方度数来覆盖它。但是，这种角度标尺所对应的物理尺寸将随距离而变化。
典型的小角度比例是一个弧度秒（1"），它是度的1/3600。弧度秒代表了如果我们站一秒差距（大约3.26光年），我们将看到地球与太阳的距离 。但是，当我们谈论宇宙可观测物时，我们不是直接测量距离，而是测量红移，这是从观察到所有原子和离子所共有的光谱线发生了多大变化而得到的。
越来越远，我们看到越来越多的视差（最大约8700）适合1"，最大发生在大约1.5的红移，或大约146亿光年的距离。距离相同的对象实际上将占据较大的角度大小。
图注：我们越往远处看，物理距离越大，对应于1弧秒的相同角尺度。超过约4.5Gpc（146亿光年），在z=1.5的红移发生（大致对应于暗能量控制开始），相同大小的物体再次对应于越来越大的角度尺度。
这说明了一个极其奇异的现象，对天文学家非常有用：如果我们可以建立一个天文台，可以拍摄距离146亿光年（z = 1.5的红移）的星系的高分辨率图像，那么它甚至可以拍摄宇宙中任何星系的高分辨率图像。
LUVOIR 是美国宇航局（NASA）是20世纪30年代天体物理学旗舰任务的四个入围者中最雄心勃勃的一位，他建议在太空中安装一个直径15米的主镜的天文台。借助这种能力，它可以实现约10毫弧秒的角分辨率，对应的物理尺寸至少达到300到400光年之间。
这意味着，如果我们构造该望远镜，我们将能够分别出宇宙中单个星系的比例、单个星团和恒星形成区域的大小。
图注：哈勃望远镜将看到一个遥远的恒星形成星系（L）的模拟图像，而像LUVOIR这样的10-15米级望远镜将看到同一星系（R）。这样的天文台的天文力量是地球上或太空中其他任何东西都无法比拟的。如建议的那样，LUVOIR可以解析宇宙中每个星系的最小大小为300-400光年的结构。
如果想知道一个物体实际上会在膨胀的宇宙中出现多大，不仅需要了解其物理尺寸，还需要了解宇宙如何随时间膨胀的物理原理。 实际上，在宇宙中，它由68％的暗能量，27％的暗物质，5％的正常物质和约0.01％的辐射组成，可以确定天体越远就会显得越小，但是不断膨胀的宇宙将它们再次放大，距离我们越远。
得知我们所观察到的最遥远的星系GN-z11，实际上看起来比相距只有我们一半的类似大小的星系大两倍，这可能会让您感到惊讶。 我们所看到的越远，超出特定的临界距离，物体越远，它们实际上看起来越大。即使没有引力透镜，仅凭膨胀的宇宙，超远星系在我们眼中显得更大。
图注：已知宇宙中迄今发现的最遥远的星系GN-z11，其光来自134亿年前：当时宇宙只有其当前年龄的3%：4.07亿年。由于膨胀、暗能量丰富的宇宙的反直觉效应，距离距离一半的等效星系实际上会出现GN-z11大小的一半。
