在浩瀚的太空中，除了有无数发光的星星外，还有弥散状的星云。关于星云的本质长期存在着争论。一种观点认为，星云是银河系内的星际物质，另一种观点则认为，星云实际上是像银河系一样巨大的恒星集团，只是因为太远而看起来像“云”。由于观测手段的限制，这两种观点孰是孰非无法得到最后的判明。
到了20世纪，观测手段有了较大的发展。美国在威尔逊山上建造了当时世界上最大的2.5米口径的反射望远镜。确定空间距离的天体物理方法也发展了起来。人们可以对星云的本质有所说明了。
宇宙空间的尺度太大了。不同的尺度范围必须采用不同的方法来测定空间大小，因为在某个范围有效的方法进一步扩展就失效了。对于邻近的天体，可以用三角法测距。三角法也就是传统的视差法。距离太阳最近的比邻星（半人马座α星，我国古代称之为南门二）就是通过视差法测出的，距离为4.3光年。使用三角法已经测定出500光年的空间距离，但更大的距离三角法就无能为力了。
更大的距离往往采用光度方法确定。我们知道，恒星的视亮度、距离与本身的光度三者之间存在某种确定的关系。视亮度是可以在地球上测定的，因此依据这三者的关系，只要知道了某恒星的光度就可以知道它的距离，而天体物理学已经能够从光谱分布相对地确定恒星的光度。光度方法可以用来大致确定更远的空间距离。使用主序星作为标准，天文学家测出了10万光年的空间距离，基本搞清楚了银河系的空间结构。
超出10万光年之外，主序星的光度就显得太小而不为我们所见。天文学家又找到了造父变星作为标准，利用这个新的光度标准，可以确定星云的本质了。
1924年，美国天文学家哈勃利用威尔逊山的大望远镜观察仙女座大星云，第一次发现它实际上由许多恒星组成。由于其中恰好有造父变星，就可以运用光度方法来确定它的距离了。计算的结果表明仙女座星云位于70万光年之外，远远超出了银河系的范围，这就最终证明了某些星云确实是遥远的星系。哈勃一鼓作气，此后10年致力于观测河外星云，并找到了测定更远距离的新的光度标准，将人类的视野扩展到了5亿光年的范围。
与此同时，美国另一位天文学家斯莱弗正致力于恒星光谱的研究。从1912年开始，他将视线对准了河外星云，发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象。随着观测的进展，积累的数据越来越多，除个别例外，几乎所有的河外星系（此时哈勃已经表明这些星云确实是河外星系）的光谱都有红移现象。如果按照多普勒效应解释，这就意味着这些星系都在远离地球而去。观测表明，星系退移的速度相当快，比如室女座星云的速度达到了每秒1000千米。这样快的速度是令人称奇的。
1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，并结合自己对河外星系距离的测定，提出了著名的哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律指出了河外星系的系统性红移，反映了整个宇宙的整体特征。特别是，当红移做多普勒效应解释时，哈勃定律就展示了一幅宇宙整体退移也就是整体膨胀的图景：从宇宙中任何一点看，观察者四周的天体均在四处逃散，就像是一个正在胀大的气球，气球上的每两点之间的距离均在变大。哈勃定律因而可以表示成河外星系的退行速度与其距离的比例是一个常数。哈勃当时估计这个常数是526。
