Galaxer och det expanderande universum
Einstein använde nästan omedelbart sin gravitationsteori på universum som helhet och publicerade sitt första kosmologiska papper 1917. Eftersom han inte var väl förtrogen med det senaste arbetet inom astronomi antog han att universum var statiskt och oförändrat. Einstein antog att materien fördelades enhetligt över universum, men han kunde inte hitta en statisk lösning på sina fältekvationer. Problemet var att den ömsesidiga gravitationen av allt ämnet i universum tenderade att göra universum att dra sig samman. Därför introducerade Einstein en ytterligare term som innehöll en faktor Λ, den "kosmologiska konstanten." Den nya termen gav en universell kosmisk frastötande kraft, som kunde agera på stora avstånd för att motverka effekterna av tyngdkraften. När han senare fick höra om universums expansion, beskrev Einstein den kosmologiska konstanten som den största bommaren i sin karriär. (Men den kosmologiska konstanten har snett tillbaka till slutet av 1900-talets och 2000-talets kosmologi. Även när Einstein hade fel, var han ofta på något djupgående.)
Einsteins statiska lösning representerade ett universum med begränsad volym men utan kanter, som utrymmet krökt tillbaka på sig själv. Således kunde en imaginär resenär resa för alltid i en rak linje och aldrig komma till en kant av universum. Utrymmet har en positiv krökning, så vinklarna i en triangel lägger till mer än 180 °, även om överskottet skulle vara uppenbart endast i trianglar av tillräcklig storlek. (En bra tvådimensionell analogi är jordens yta. Den är begränsad i området men har ingen kant.)
I början av 1900-talet trodde de flesta professionella astronomer fortfarande att Vintergatan i huvudsak var samma sak som det synliga universum. En minoritet trodde på en teori om önunivers - att spiralnebulorna är enorma stjärnsystem, jämförbara med Vintergatan, och är spridda genom rymden med stora tomma avstånd mellan dem. En invändning mot ö-universumteorin var att väldigt få spiraler ses nära mjölkvägets plan, den så kallade undvikelseszonen. Således måste spiralerna på något sätt vara en del av mjölkvägssystemet. Men den amerikanska astronomen Heber Curtis påpekade att vissa spiraler som kan ses i synnerhet innehåller enorma mängder damm i deras ”ekvatoriala” plan. Man kan också förvänta sig att Vintergatan har stora mängder damm i hela sitt plan, vilket förklarar varför många svaga spiraler inte kan ses där; synligheten är helt enkelt dold på låga galaktiska breddegrader. År 1917 fann Curtis också tre romaner på sina fotografier av spiraler; dessa noves svaghet antydde att spiralerna låg på stora avstånd från Vintergatan.
Universumets statiska karaktär utmanades snart. 1912, vid Lowell-observatoriet i Arizona, hade den amerikanska astronomen Vesto M. Slipher börjat mäta de radiella hastigheterna hos spiralnebulor. Den första spiralen som Slipher undersökte var Andromeda Nebula, som visade sig vara blåskiftad - det vill säga att man rörde sig mot Vintergatan - med en hastighet på 300 km (200 miles) per sekund, den största hastigheten som någonsin uppmättts för någon himmel objekt fram till den tiden. År 1917 hade Slipher radiella hastigheter för 25 spiraler, några så höga som 1 000 km (600 miles) per sekund. Föremål som rör sig i sådana hastigheter kunde knappast tillhöra Vintergatan. Även om ett fåtal blåskiftades var den överväldigande majoriteten rödförskjuten, vilket motsvarar rörelse bort från Vintergatan. Astronomer drog dock inte omedelbart slutsatsen att universum expanderar. Snarare, eftersom Slifers spiraler inte var jämnt fördelade runt himlen, använde astronomerna uppgifterna för att försöka härleda solens hastighet med avseende på spiralsystemet. Majoriteten av Slifers spiraler var på ena sidan av Vintergatan och försvann, medan ett fåtal var på andra sidan och närmade sig. För Slipher var Vintergatan i sig en spiral som rörde sig med avseende på ett större spiralfält.
1917 hittade den nederländska matematikern Willem de Sitter en annan uppenbarligen statisk kosmologisk lösning av fältekvationerna, annorlunda från Einsteins, som visade en korrelation mellan avstånd och rödskift. Även om det inte var tydligt att de Siters lösning kunde beskriva universum, eftersom det saknade materia, motiverade detta astronomer att leta efter ett förhållande mellan avstånd och rödförskjutning. 1924 publicerade den svenska astronomen Karl Lundmark en empirisk studie som gav en ungefär linjär relation (dock med massor av spridning) mellan spiralernas avstånd och hastigheter. Svårigheten var att känna till avstånd exakt nog. Lundmark använde novéer som hade observerats i Andromeda Nebula för att fastställa avståndet till den nebula genom att anta att dessa novéer skulle ha samma genomsnittliga absoluta ljusstyrka som novéer i Vintergatan vars avstånd var ungefär kända. För mer avlägsna spiraler åberopade Lundmark de råa antagandena att dessa spiraler måste ha samma diameter och ljusstyrka som Andromeda Nebula. Således fungerade noverna som standardljus (det vill säga föremål med en definierad ljusstyrka), och för mer avlägsna spiraler blev spiralerna själva standardljuset.
På den teoretiska sidan studerade den ryska matematikern Aleksandr Friedmann mellan 1922 och 1924 icke-statiska kosmologiska lösningar på Einsteins ekvationer. Dessa gick utöver Einsteins modell genom att tillåta expansion eller sammandragning av universum och bortom de Siters modell genom att tillåta universum att innehålla materia. Friedmann introducerade också kosmologiska modeller med negativ krökning. (I ett negativt krökt utrymme lägger vinkeln på en triangel upp till mindre än 180 °.) Friedmanns lösningar hade liten omedelbar effekt, dels på grund av hans tidiga död 1925 och dels för att han inte hade kopplat sitt teoretiska arbete med astronomiska observationer. Det hjälpte inte att Einstein publicerade en anteckning där han hävdade att Friedmanns papper från 1922 innehöll ett grundläggande fel; Einstein drog senare tillbaka denna kritik.
