تتلخص طبيعة تمدد الكون في معادلة واحدة بسيطة، تُعرف باسم «قانون هابل». وينص هذا القانون على أن السرعة الظاهرية v لأي مجرة آخذة في الابتعاد عن الراصد تتناسب طرديا المسافة مع التي تفصل بينهما، ورمزها d. وفي وقتنا الحالي يعرف ثابت التناسب باسم «ثابت هابل» ويُرمز إليه بالرمز H أو H₀. ومِن ثُمَّ فإن قانون هابل يكتب على النحو التالي: H₀d = v. والعلاقة بين السرعة v وبين المسافة d تسمى علاقة خطية؛ لأنك إذا وضعت القِيَم المقاسة للسرعات والمسافات لعينة من المجرات على مخطط بياني كما فعل هابل، فستجد أنها تقع على خط مستقيم. ومقدار انحدار هذا الخط هو H₀. إن قانون هابل يعني بالأساس أنه إذا كان هناك مجرتان تبعد إحداهما عن الراصد ضعف المسافة التي تبعد بها الأخرى عنه، فستتحرك المجرة البعيدة بسرعة ضعف سرعة المجرة القريبة، وإذا وقعَتْ على مسافة ثلاثة أضعاف المسافة فستتحرك بثلاثة أضعاف السرعة، وهكذا دواليك.

شكل 1: قانون هابل. عند الرصد من نقطة مركزية، ينص قانون هابل على أن سرعة التراجع الظاهرية للمجرات البعيدة تتناسب طرديا مع المسافة بينها وبين الراصد؛ ومِن ثُمَّ كلما كانت المجرة أبعد في المسافة، كان تراجعها أسرع. ليس لهذا التمدد مركز محدد، فأي نقطة يمكن معاملتها على أنها نقطة الأصل.

نشر هابل الاكتشاف الخاص بذلك القانون الشهير عام 1929، الذي نتج عن دراسة خطوط الطيف الخاصة بعينة من المجرات. ويستحق الفلكي الأمريكي فيستو سليفر أيضًا أن يُنسب إليه جزء كبير من الفضل في هذا الاكتشاف. فمنذ وقت مبكر يرجع إلى عام 1914، حصل سليفر على خطوط الطيف الخاصة بمجموعة من السدم (وهو الاسم الذي كان يطلق وقتها على المجرات) التي أظهرت أيضًا هذه العلاقة، رغم أن تقديرات المسافة الخاصة بها كانت تقريبية. لكن لسوء الحظ فإن النتائج المبكرة التي توصل إليها سليفر، وعرضها في الاجتماع السابع عشر للجمعية الفلكية الأمريكية في عام 1914، لم تُنشر قط، ولم يُقدِّر التاريخ الإسهام الذي قدمه سليفر حق التقدير قط.

كيف إذن توصل هابل إلى قانونه؟ يسمى الأسلوب الذي استخدمه هابل باسم «التحليل الطيفي». فالضوء القادم من أي مجرة بعيدة يحتوي على مزيج من الألوان، أنتجتها كل النجوم الموجودة داخل هذه المجرة. ويقوم منظار التحليل الطيفي، أو المطياف، بفصل الضوء إلى الدرجات اللونية المكونة له بحيث يمكن تحليل مزيج الألوان الخاص به على نحو منفصل.

شكل 2: مخطط هابل. هذا هو مخطط هابل البياني الأصلي للعلاقة بين السرعة والمسافة المنشور عام 1929. لاحظ أن بعض المجرات القريبة تقترب في الواقع من مجرتنا، وهناك قدر معتبر من التشتت في المخطط.

ومن السبل البسيطة للوصول إلى هذه النتيجة استخدام الموشور؛ فباستخدام الموشور يمكن فصل الضوء الأبيض العادي إلى طيف يمثل ألوان قوس قزح. لكن بالإضافة إلى امتلاكها ألوانًا مختلفة، تحتوي الأطياف الفلكية أيضًا على سمات محددة تسمى خطوط الانبعاث. وهذه الخطوط تُنتَج في الغاز الذي يحتويه أي جرم بواسطة تنقل الإلكترونات بين مستويات الطاقة المختلفة. وهذه التنقلات تحدث عند أطوال موجية محددة اعتمادًا على التركيب الكيميائي للمصدر، وهذه الأطوال الموجية يمكن قياسها بدقة في التجارب المجرَاة في المختبرات. تمكَّن قانون هابل من تحديد خطوط الانبعاث في العديد من المجرات. لكن عند مقارنة موضعها في الطيف المقيس بالموضع الذي ينبغي أن تكون الخطوط موجودة فيه، وجد أنها عادة ما تكون في المكان الخطأ. في الواقع، كانت الخطوط في كل الأحيان تقريبًا مُزاحة ناحية الطرف الأحمر للطيف، نحو الأطوال الموجية الأطول. وقد فسر هابل هذا بأنه ناتج عن إزاحة دوبلر.