Astronomen messen die Entfernungen zu verschiedenen Himmelskörpern mit unterschiedlichen Methoden. Für die nächstgelegenen Sterne verwenden Astronomen die einfachste Methode, die sogenannte Triangulationsparallaxe. Dies ist die Methode, mit der das menschliche Auge die Entfernung von Objekten einschätzt. Wenn wir einen Finger ausstrecken und abwechselnd mit dem linken und dem rechten Auge darauf schauen, stellen wir fest, dass sich der Finger relativ zum Hintergrund in der Entfernung ändert. Wenn wir die Größe dieser Veränderung und den Abstand zwischen unseren Augen kennen, können wir die Entfernung des Fingers zu unseren Augen anhand einfacher geometrischer Beziehungen berechnen. Astronomen nutzen diese Methode, um die Entfernungen zu den uns am nächsten gelegenen Sternen zu messen. Sie nehmen die längste Achse der Umlaufbahn der Erde um die Sonne als Basislinie und beobachten denselben Stern an beiden Enden dieser Achse im Abstand von einem halben Jahr. Dadurch erhalten sie den Winkel, den der Stern zur Erdumlaufbahn bildet. Die Hälfte dieses Winkels wird als jährliche Parallaxe des Sterns bezeichnet. Da der Halbdurchmesser der Erdumlaufbahn etwa 150 Millionen Kilometer beträgt, können Astronomen anhand der jährlichen Parallaxe die Entfernung des Sterns berechnen, was als geometrische Distanz bezeichnet wird.
Die Triangulationsparallaxe kann nur die Entfernungen zu Sternen in der Nähe der Sonne messen. Der nächstgelegene Stern ist 4,22 Lichtjahre von uns entfernt, und die jährliche Parallaxe beträgt weniger als 1 Bogensekunde. Je weiter entfernt der Stern ist, desto kleiner ist die jährliche Parallaxe und desto schwieriger ist die Messung. Derzeit beträgt der maximale Messbereich für Sterne mit der Triangulationsparallaxe etwa 500 Lichtjahre. Die Größe der Milchstraße beträgt etwa 82.000 Lichtjahre, und die Entfernungen der meisten Sterne darin liegen weit außerhalb des Anwendungsbereichs der Triangulationsparallaxe; für Objekte außerhalb der Milchstraße ist die Triangulationsparallaxe sogar noch weniger geeignet, und es müssen andere Methoden angewendet werden.
Astronomen haben eine andere Methode zur Entfernungsmessung entwickelt, die „Lichtstärke-Distanzmethode“ genannt wird. Das Prinzip ist einfach: Wenn wir dieselbe Art von Glühbirnen beobachten, stellen wir fest, dass die näheren Glühbirnen heller und die weiter entfernten Glühbirnen dunkler sind. Wenn wir messen können, wie hell die Glühbirnen sind, wissen wir, wie weit sie von uns entfernt sind. Da die Helligkeit der Glühbirnen in „Kerzen“ ausgedrückt werden kann, wird diese Distanzmethode auch als „Standardkerzen“-Distanzmethode bezeichnet. Der Schlüssel liegt darin, welche Himmelsobjekte „dieselbe Art“ sind oder welche ihren tatsächlichen Helligkeiten gleich sind?
Bei der langfristigen Beobachtung von Sternen haben Wissenschaftler einige Sterne mit sehr regelmäßigen Helligkeitsänderungen entdeckt, die „Cepheiden“ genannt werden. 1912 entdeckte die amerikanische Astronomin Leavitt, dass zwischen der Periode der Helligkeitsänderung von Cepheiden und ihrer tatsächlichen Helligkeit eine Beziehung besteht: Je länger die Periode, desto größer die freigesetzte Energie; je kürzer die Periode, desto kleiner die freigesetzte Energie. Dies bedeutet, dass die tatsächliche Helligkeit eines Sterns anhand seiner Periode bestimmt werden kann. Daher können Wissenschaftler die Entfernung eines Sterns berechnen, wenn sie seine tatsächliche Helligkeit anhand seiner Periode bestimmen. Daher nennen Astronomen Cepheiden auch „Maßstab zur Messung des Universums“. Der amerikanische Astronom Hubble bestätigte erstmals, dass die Andromedanebel kein Objekt innerhalb der Milchstraße ist, sondern ein riesiger Sternhaufen, der aus hunderten Milliarden Sternen besteht und genauso wie die Milchstraße aufgebaut ist. Die Anwendbarkeit der „Cepheiden“ zur „Maßstab-Ermittlung“ erstreckt sich bis auf über 50 Millionen Lichtjahre und übersteigt bei weitem die Fähigkeiten der Triangulationsparallaxe. Neben den Cepheiden haben auch Novae, Supernovae, RR-Lyrae-Variablen und andere Sterne eine gewisse Beziehung zwischen ihrer Helligkeit und ihrer tatsächlichen Helligkeit, allerdings nicht so genau wie die Cepheiden. Daher ist die Entfernungsmessung von Nachbargalaxien hauptsächlich auf die Suche nach Cepheiden angewiesen.
In noch weiter entfernten Galaxien sind viele Sterne bereits nicht mehr zu unterscheiden, und nur explodierende Supernovae können in ihrem Moment der Zerstörung ein Licht ausstoßen, das die gesamte Galaxie in den Schatten stellen kann. Supernovae sind ein Produkt der späten Phase der Sternentwicklung, und während ihrer Explosion steigt die Helligkeit innerhalb kurzer Zeit um ein Vielfaches an, während sie bei kürzeren Explosionen weniger Energie freisetzen. Die maximale Helligkeit kann bis zu 10^7 bis 10^10 Mal so hoch sein wie die Helligkeit der Sonne, und sie setzen 10^40 bis 10^45 Joule Energie frei. Unter den Supernovae sind die Typ-Ia-Supernovae am besten für die Entfernungsmessung geeignet.Supernovae. Diese Art von Supernovae ist bei ihrem Ausbruch sehr hell und ihre maximale Helligkeit ist sehr konstant. Sie sind eine ausgezeichnete Standardkerze, und die gemessene Helligkeit kann bis zu 10 Milliarden Lichtjahre betragen. Mit ihrem spektakulären Tod werden Supernovae zu neuen Meilensteinen und liefern wertvolle Hinweise auf die Geschichte des Universums. Die amerikanischen Astronomen Saul Perlmutter und Brian P. Schmidt sowie der australische Astronom Brian P. Schmidt erhielten 2011 den Nobelpreis für Physik, weil sie mithilfe von Beobachtungen von Supernovae entdeckten, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.
Aber die Geschichte endet hier nicht. Wissenschaftler haben das Hubble'sche Gesetz entdeckt, mit dem die Entfernung anhand der Rotverschiebung (der Rückzugsgeschwindigkeit) von Galaxien berechnet werden kann. Und in einem noch früheren und weiter entfernten Universum waren nicht einmal Galaxien zu finden. Wissenschaftler versuchen immer noch, neue Methoden zu finden, um die Geheimnisse des frühen Universums zu lüften.