Galaksi dan alam semesta yang mengembang
Einstein segera menerapkan teori gravitasinya ke alam semesta secara keseluruhan, menerbitkan makalah kosmologis pertamanya pada tahun 1917. Karena ia tidak begitu mengenal karya astronomi baru-baru ini, ia berasumsi bahwa alam semesta itu statis dan tidak berubah. Einstein berasumsi bahwa materi didistribusikan secara seragam di seluruh alam semesta, tetapi ia tidak dapat menemukan solusi statis untuk persamaan bidangnya. Masalahnya adalah bahwa gravitasi timbal balik dari semua materi di alam semesta akan cenderung membuat kontrak alam semesta. Karena itu, Einstein memperkenalkan istilah tambahan yang mengandung faktor Λ, "konstanta kosmologis." Istilah baru memberikan kekuatan repulsif kosmik universal, yang dapat bertindak pada jarak yang jauh untuk menangkal efek gravitasi. Ketika kemudian dia mengetahui ekspansi alam semesta, Einstein menggambarkan konstanta kosmologis sebagai kesalahan terbesar dalam karirnya. (Tetapi konstanta kosmologis telah merangkak kembali ke akhir abad ke-20 dan abad ke-21 kosmologi. Bahkan ketika Einstein salah, dia sering ke sesuatu yang mendalam.)
Solusi statis Einstein mewakili alam semesta dengan volume terbatas tetapi tanpa tepi, karena ruang melengkung ke belakang dengan sendirinya. Dengan demikian, seorang musafir imajiner dapat melakukan perjalanan selamanya dalam garis lurus dan tidak pernah sampai ke ujung alam semesta. Ruang memiliki kelengkungan positif, sehingga sudut dalam segitiga bertambah hingga lebih dari 180 °, meskipun kelebihannya hanya akan terlihat pada segitiga dengan ukuran yang cukup. (Analogi dua dimensi yang baik adalah permukaan bumi. Itu terbatas di area tetapi tidak memiliki tepi.)
Pada awal abad ke-20, sebagian besar astronom profesional masih percaya bahwa Bima Sakti pada dasarnya sama dengan alam semesta yang terlihat. Minoritas percaya pada teori alam semesta pulau — bahwa nebula spiral adalah sistem bintang yang sangat besar, sebanding dengan Bima Sakti, dan tersebar di ruang angkasa dengan jarak kosong yang luas di antara mereka. Satu keberatan terhadap teori pulau-semesta adalah bahwa sangat sedikit spiral terlihat di dekat bidang Bimasakti, yang disebut Zona Penghindaran. Jadi, entah bagaimana spiral harus menjadi bagian dari sistem Bima Sakti. Tetapi astronom Amerika, Heber Curtis, menunjukkan bahwa beberapa spiral yang dapat dilihat dengan jelas jelas mengandung sejumlah besar debu di pesawat "ekuatorial" mereka. Seseorang mungkin juga mengharapkan Bimasakti memiliki debu dalam jumlah besar di seluruh bidangnya, yang akan menjelaskan mengapa banyak spiral redup tidak terlihat di sana; visibilitas hanya dikaburkan di lintang galaksi rendah. Pada 1917 Curtis juga menemukan tiga nova pada foto-foto spiralnya; pingsan nova ini menyiratkan bahwa spiral berada pada jarak yang jauh dari Bima Sakti.
Karakter statis alam semesta segera ditantang. Pada tahun 1912, di Observatorium Lowell di Arizona, astronom Amerika Vesto M. Slipher telah mulai mengukur kecepatan radial nebula spiral. Spiral pertama yang diteliti oleh Slipher adalah Nebula Andromeda, yang berubah menjadi blueshifted — yaitu, bergerak menuju Bima Sakti — dengan kecepatan pendekatan 300 km (200 mil) per detik, kecepatan terbesar yang pernah diukur untuk setiap benda langit keberatan hingga saat itu. Pada 1917 Slipher memiliki kecepatan radial untuk 25 spiral, beberapa setinggi 1.000 km (600 mil) per detik. Objek bergerak dengan kecepatan seperti itu hampir tidak mungkin menjadi milik Bima Sakti. Meskipun beberapa di antaranya berubah warna, sebagian besar dari mereka mengalami pergeseran merah, sesuai dengan perpindahan dari Bima Sakti. Namun, para astronom tidak segera menyimpulkan bahwa alam semesta mengembang. Sebaliknya, karena spiral Slipher tidak terdistribusi secara seragam di sekitar langit, para astronom menggunakan data untuk mencoba menyimpulkan kecepatan Matahari sehubungan dengan sistem spiral. Mayoritas spiral Slipher berada di satu sisi Bimasakti dan surut, sedangkan beberapa di sisi lain dan mendekat. Bagi Slipher, Bima Sakti itu sendiri adalah sebuah spiral, bergerak sehubungan dengan bidang spiral yang lebih besar.
Pada tahun 1917, ahli matematika Belanda Willem de Sitter menemukan solusi kosmologis yang tampaknya statis dari persamaan medan, berbeda dengan Einstein, yang menunjukkan korelasi antara jarak dan pergeseran merah. Meskipun tidak jelas bahwa solusi de Sitter dapat menggambarkan alam semesta, karena tanpa materi, ini memotivasi para astronom untuk mencari hubungan antara jarak dan pergeseran merah. Pada tahun 1924, astronom Swedia Karl Lundmark menerbitkan sebuah studi empiris yang memberikan hubungan linier yang kasar (meskipun dengan banyak sebaran) antara jarak dan kecepatan spiral. Kesulitannya adalah dalam mengetahui jarak yang cukup akurat. Lundmark menggunakan nova yang telah diamati di Nebula Andromeda untuk menentukan jarak nebula itu dengan mengasumsikan bahwa nova ini memiliki kecerahan absolut rata-rata yang sama dengan nova di Bima Sakti yang jaraknya hampir diketahui. Untuk spiral yang lebih jauh, Lundmark menggunakan asumsi kasar bahwa spiral tersebut harus memiliki diameter dan kecerahan yang sama dengan Nebula Andromeda. Dengan demikian, nova berfungsi sebagai lilin standar (yaitu, objek dengan kecerahan yang ditentukan), dan untuk spiral yang lebih jauh, spiral itu sendiri menjadi lilin standar.
Di sisi teoretis, antara 1922 dan 1924 matematikawan Rusia Aleksandr Friedmann mempelajari solusi kosmologis nonstatik untuk persamaan Einstein. Ini melampaui model Einstein dengan memungkinkan ekspansi atau kontraksi alam semesta dan melampaui model de Sitter dengan memungkinkan alam semesta mengandung materi. Friedmann juga memperkenalkan model-model kosmologis dengan kelengkungan negatif. (Dalam ruang melengkung negatif, sudut segitiga bertambah hingga kurang dari 180 °.) Solusi Friedmann memiliki dampak langsung yang kecil, sebagian karena kematian awalnya pada tahun 1925 dan sebagian karena ia tidak menghubungkan karya teoretisnya dengan pengamatan astronomi. Itu tidak membantu bahwa Einstein menerbitkan catatan yang mengklaim bahwa makalah Friedmann 1922 berisi kesalahan mendasar; Einstein kemudian menarik kritik ini.
