Galáxias e o universo em expansão
Einstein quase imediatamente aplicou sua teoria da gravidade ao universo como um todo, publicando seu primeiro artigo cosmológico em 1917. Como não conhecia bem os trabalhos recentes em astronomia, ele assumiu que o universo era estático e imutável. Einstein supôs que a matéria fosse distribuída uniformemente por todo o universo, mas não conseguiu encontrar uma solução estática para suas equações de campo. O problema era que a gravitação mútua de toda a matéria do universo tenderia a fazer o universo se contrair. Portanto, Einstein introduziu um termo adicional contendo um fator Λ, a "constante cosmológica". O novo termo forneceu uma força repulsiva cósmica universal, que poderia atuar a grandes distâncias para neutralizar os efeitos da gravidade. Mais tarde, quando soube da expansão do universo, Einstein descreveu a constante cosmológica como o maior erro de sua carreira. (Mas a constante cosmológica voltou à cosmologia do final do século XX e do século XXI. Mesmo quando Einstein estava errado, ele frequentemente se envolvia em algo profundo.)
A solução estática de Einstein representou um universo de volume finito, mas sem arestas, à medida que o espaço se curvava sobre si mesmo. Assim, um viajante imaginário poderia viajar para sempre em uma linha reta e nunca chegar a uma extremidade do universo. O espaço tem curvatura positiva, portanto os ângulos em um triângulo somam mais de 180 °, embora o excesso seja aparente apenas em triângulos de tamanho suficiente. (Uma boa analogia bidimensional é a superfície da Terra. É finita em área, mas não possui arestas.)
No início do século XX, a maioria dos astrônomos profissionais ainda acreditava que a Via Láctea era essencialmente a mesma coisa que o universo visível. Uma minoria acreditava em uma teoria dos universos das ilhas - que as nebulosas em espiral são enormes sistemas estelares, comparáveis à Via Láctea, e estão espalhadas pelo espaço com vastas distâncias vazias entre elas. Uma objeção à teoria do universo insular era que pouquíssimas espirais são vistas perto do plano da Via Láctea, a chamada Zona de Evitação. Assim, as espirais devem de alguma forma fazer parte do sistema da Via Láctea. Mas o astrônomo americano Heber Curtis apontou que algumas espirais que podem ser vistas de frente obviamente contêm grandes quantidades de poeira em seus planos "equatoriais". Pode-se também esperar que a Via Láctea tenha grandes quantidades de poeira em todo o seu plano, o que explicaria por que muitas espirais escuras não podem ser vistas lá; a visibilidade é simplesmente obscurecida em baixas latitudes galácticas. Em 1917, Curtis também encontrou três novas em suas fotografias de espirais; o desmaio dessas novas sugeria que as espirais estavam a grandes distâncias da Via Láctea.
O caráter estático do universo foi logo desafiado. Em 1912, no Observatório Lowell, no Arizona, o astrônomo americano Vesto M. Slipher começou a medir as velocidades radiais das nebulosas em espiral. A primeira espiral que Slipher examinou foi a Nebulosa de Andrômeda, que acabou desviando o blues - isto é, se movendo em direção à Via Láctea - com uma velocidade de aproximação de 300 km (200 milhas) por segundo, a maior velocidade já medida para qualquer material celeste. objeto até aquele momento. Em 1917, o Slipher possuía velocidades radiais para 25 espirais, algumas chegando a 1.000 km (600 milhas) por segundo. Objetos que se movem a essas velocidades dificilmente poderiam pertencer à Via Láctea. Embora alguns tenham sido desalojados, a maioria esmagadora foi desviada para o vermelho, correspondendo a afastamentos da Via Láctea. Os astrônomos não concluíram imediatamente que o universo está se expandindo. Pelo contrário, porque as espirais de Slipher não estavam distribuídas uniformemente pelo céu, os astrônomos usaram os dados para tentar deduzir a velocidade do Sol em relação ao sistema de espirais. A maioria das espirais de Slipher estava de um lado da Via Láctea e recuava, enquanto algumas estavam do outro lado e se aproximando. Para Slipher, a Via Láctea era em si uma espiral, movendo-se em relação a um campo maior de espirais.
Em 1917, o matemático holandês Willem de Sitter encontrou outra solução cosmológica aparentemente estática das equações de campo, diferente da de Einstein, que mostrou uma correlação entre distância e desvio para o vermelho. Embora não estivesse claro que a solução de De Sitter pudesse descrever o universo, por não ter matéria, isso motivou os astrônomos a procurar uma relação entre distância e desvio para o vermelho. Em 1924, o astrônomo sueco Karl Lundmark publicou um estudo empírico que dava uma relação aproximadamente linear (embora com muita dispersão) entre as distâncias e velocidades das espirais. A dificuldade estava em saber as distâncias com precisão suficiente. Lundmark usou novas que foram observadas na nebulosa de Andrômeda para estabelecer a distância dessa nebulosa, assumindo que essas novas teriam o mesmo brilho absoluto médio que as novas na Via Láctea cujas distâncias eram aproximadamente conhecidas. Para espirais mais distantes, Lundmark invocou as suposições grosseiras de que essas espirais tinham que ter o mesmo diâmetro e brilho que a nebulosa de Andrômeda. Assim, a novae funcionava como velas padrão (isto é, objetos com brilho definido) e, para espirais mais distantes, as próprias espirais se tornaram a vela padrão.
Do lado teórico, entre 1922 e 1924, o matemático russo Aleksandr Friedmann estudou soluções cosmológicas não estáticas para as equações de Einstein. Estes foram além do modelo de Einstein, permitindo a expansão ou contração do universo e além do modelo de Sitter, permitindo que o universo contivesse matéria. Friedmann também introduziu modelos cosmológicos com curvatura negativa. (Em um espaço curvado negativamente, os ângulos de um triângulo somam menos de 180 °.) As soluções de Friedmann tiveram pouco impacto imediato, em parte por causa de sua morte precoce em 1925 e em parte porque ele não havia vinculado seu trabalho teórico a observações astronômicas. Não ajudou que Einstein tenha publicado uma nota alegando que o artigo de Friedmann de 1922 continha um erro fundamental; Mais tarde, Einstein retirou essa crítica.
