Déplacement de la position, en longueur d'onde, des raies d'un élément dans le spectre d'un corps céleste vers les longueurs d'onde supérieures à celles obtenues dans un spectre de référence

En 1929, l'astronome américain Edwin Hubble réalisa que le décalage vers le rouge dans le spectre des galaxies est dû au fait que l'Univers est en expansion. Ce phénomène serait provoqué par l' effet Doppler , qui vaut, à toute source d'ondes en mouvement par rapport à un observateur, de paraître décalé dans ses fréquences, tout comme la sirène d'une ambulance résonne à haute fréquence quand le mobile se rapproche d'un observateur et chute au contraire vers un son plus grave lorsque le mobile s'éloigne. Ainsi, le décalage du spectre des galaxies serait dû au fait qu'elles s'éloignent les unes des autres. S'appuyant sur ces considérations, Hubble jeta les bases de la théorie du big bang, et établit une échelle permettant d'évaluer la distance d'une galaxie en fonction de sa vitesse d'éloignement (loi de Hubble).

Un second mécanisme de décalage vers le rouge est le décalage gravitationnel, appelé aussi décalage d'Einstein. Prédit par la théorie de la relativité générale, selon laquelle les processus périodiques sont ralentis dans un champ gravitationnel, le décalage d'Einstein est perceptible dans le spectre des étoiles massives et compactes, telles que les naines blanches.