आकाशगंगा और विस्तृत ब्रह्मांड
आइंस्टीन ने लगभग पूरी तरह से ब्रह्मांड के सिद्धांत को पूरी तरह से लागू किया, 1917 में अपने पहले कॉस्मोलॉजिकल पेपर को प्रकाशित किया। क्योंकि वह खगोल विज्ञान में हाल के काम से अच्छी तरह से परिचित नहीं थे, उन्होंने माना कि ब्रह्मांड स्थिर और अपरिवर्तित था। आइंस्टीन ने यह मान लिया कि इस पदार्थ को पूरे ब्रह्मांड में समान रूप से वितरित किया गया था, लेकिन वह अपने क्षेत्र समीकरणों का एक स्थिर समाधान नहीं खोज सका। समस्या यह थी कि ब्रह्मांड में सभी पदार्थों का आपसी गुरुत्वाकर्षण ब्रह्मांड को अनुबंधित कर देगा। इसलिए, आइंस्टीन ने एक अतिरिक्त शब्द पेश किया जिसमें एक कारक in, "ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक" है। नए शब्द ने एक सार्वभौमिक ब्रह्मांडीय प्रतिकारक बल प्रदान किया, जो गुरुत्वाकर्षण के प्रभावों का मुकाबला करने के लिए महान दूरी पर कार्य कर सकता है। जब उन्हें बाद में ब्रह्मांड के विस्तार का पता चला, तो आइंस्टीन ने ब्रह्मांडीय स्थिरांक को अपने करियर का सबसे बड़ा दोष बताया। (लेकिन ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक 20 वीं सदी के अंत और 21 वीं सदी के ब्रह्माण्ड विज्ञान में वापस लौट आया है। यहां तक कि जब आइंस्टीन गलत थे, तो वह अक्सर कुछ गहरा था।)
आइंस्टीन के स्थैतिक समाधान ने परिमित मात्रा के एक ब्रह्मांड का प्रतिनिधित्व किया लेकिन कोई किनारा नहीं था, क्योंकि अंतरिक्ष ने खुद को वापस घुमावदार किया था। इस प्रकार, एक काल्पनिक यात्री एक सीधी रेखा में हमेशा के लिए यात्रा कर सकता है और कभी भी ब्रह्मांड के एक किनारे पर नहीं आ सकता है। अंतरिक्ष में सकारात्मक वक्रता है, इसलिए एक त्रिभुज में कोण 180 ° से अधिक तक जुड़ जाते हैं, हालांकि अतिरिक्त केवल पर्याप्त आकार के त्रिकोण में स्पष्ट होगा। (एक अच्छा द्वि-आयामी सादृश्य पृथ्वी की सतह है। यह क्षेत्र में परिमित है लेकिन इसका कोई किनारा नहीं है।)
20 वीं शताब्दी की शुरुआत में, अधिकांश पेशेवर खगोलविदों का अब भी मानना था कि मिल्की वे अनिवार्य रूप से दृश्यमान ब्रह्मांड के समान ही थे। द्वीप ब्रह्मांडों के एक सिद्धांत में एक अल्पसंख्यक का मानना था - कि सर्पिल निहारिका विशाल तारा प्रणाली हैं, मिल्की वे के समान हैं, और उनके बीच विशाल खाली दूरी के साथ अंतरिक्ष के माध्यम से बिखरे हुए हैं। द्वीप-ब्रह्मांड सिद्धांत पर एक आपत्ति यह थी कि मिल्की वे के विमान के पास बहुत कम सर्पिल दिखाई पड़ते हैं, तथाकथित ज़ोन ऑफ़ अवॉइडेंस। इस प्रकार, सर्पिल किसी तरह मिल्की वे सिस्टम का एक हिस्सा होना चाहिए। लेकिन अमेरिकी खगोलशास्त्री हेबर कर्टिस ने बताया कि कुछ सर्पिल जिन्हें किनारे पर देखा जा सकता है, उनके "भूमध्यरेखीय" विमानों में भारी मात्रा में धूल होती है। मिल्की वे से भी उम्मीद की जा सकती है कि उनके पूरे विमान में बड़ी मात्रा में धूल होगी, जो यह बताएंगे कि कई मंद सर्पिल वहाँ क्यों नहीं देखे जा सकते; दृश्यता केवल कम गांगेय अक्षांशों पर अस्पष्ट होती है। 1917 में कर्टिस ने सर्पिल की अपनी तस्वीरों पर तीन नोवा भी पाए; इन नोवा की बेहोशी का अर्थ था कि मिल्की वे से सर्पिल काफी दूरी पर थे।
ब्रह्मांड के स्थिर चरित्र को जल्द ही चुनौती दी गई थी। 1912 में, एरिज़ोना में लोवेल ऑब्जर्वेटरी में, अमेरिकी खगोल विज्ञानी वेस्टो एम। स्लिफ़र ने सर्पिल नेबुला के रेडियल वेगों को मापने के लिए शुरू किया था। स्लीपर की जांच करने वाला पहला सर्पिल एंड्रोमेडा नेबुला था, जो नीले रंग में बदल गया था - यानी, मिल्की वे की ओर बढ़ रहा है - प्रति सेकंड 300 किमी (200 मील) के दृष्टिकोण के वेग के साथ, किसी भी खगोलीय के लिए मापा गया सबसे बड़ा वेग उस समय तक वस्तु। 1917 तक स्लीपर में 25 सर्पिलों के लिए रेडियल वेग थे, कुछ 1,000 किमी (600 मील) प्रति सेकंड के उच्च स्तर पर। ऐसी गति से आगे बढ़ने वाली वस्तुएं शायद ही मिल्की वे की हो सकती हैं। यद्यपि कुछ को हटा दिया गया था, लेकिन भारी बहुमत को फिर से जोड़ा गया, जो मिल्की वे से दूर गति के अनुरूप था। हालांकि, खगोलविदों ने तुरंत निष्कर्ष निकाला कि ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है। बल्कि, क्योंकि स्लीपर के सर्पिल आकाश के चारों ओर समान रूप से वितरित नहीं किए गए थे, खगोलविदों ने सर्पिल की प्रणाली के संबंध में सूर्य के वेग को कम करने की कोशिश करने के लिए डेटा का उपयोग किया। स्लीपर के अधिकांश सर्पिल मिल्की वे के एक तरफ थे और पीछे हट रहे थे, जबकि कुछ दूसरी तरफ थे और निकट आ रहे थे। स्लिफ़र के लिए, मिल्की वे खुद एक सर्पिल था, सर्पिल के एक बड़े क्षेत्र के संबंध में आगे बढ़ रहा था।
1917 में डच गणितज्ञ विलेम डी सिटर ने आइंस्टीन से अलग, क्षेत्र समीकरणों का एक और स्पष्ट रूप से स्थैतिक ब्रह्माण्ड संबंधी समाधान पाया, जिसमें दूरी और रेडशिफ्ट के बीच एक संबंध दिखाया गया था। हालांकि यह स्पष्ट नहीं था कि डी सिट्टर का समाधान ब्रह्मांड का वर्णन कर सकता है, क्योंकि यह पदार्थ से रहित था, इसने खगोलविदों को दूरी और रेडशिफ्ट के बीच संबंध देखने के लिए प्रेरित किया। 1924 में स्वीडिश खगोलशास्त्री कार्ल लुंडमार्क ने एक अनुभवजन्य अध्ययन प्रकाशित किया, जिसमें सर्पिल की दूरी और वेग के बीच एक मोटे तौर पर रैखिक संबंध (हालांकि बहुत सारे बिखराव के साथ) थे। दूरियों को ठीक-ठीक जानने में कठिनाई थी। लुंडमार्क ने नोवा का उपयोग किया था जो कि नेबुला की दूरी स्थापित करने के लिए एंड्रोमेडा नेबुला में देखा गया था, यह मानकर कि ये नोवा मिल्की वे में नोवा की तरह ही औसत निरपेक्ष चमक होगी जिनकी दूरी लगभग ज्ञात थी। अधिक दूर के सर्पिलों के लिए, लुंडमार्क ने क्रूड मान्यताओं का आह्वान किया कि उन सर्पिलों में एंड्रोमेडा नेबुला के समान व्यास और चमक थी। इस प्रकार, नोवा मानक मोमबत्तियों के रूप में कार्य करता था (अर्थात, एक परिभाषित चमक के साथ वस्तुएं), और अधिक-दूर के सर्पिल के लिए, सर्पिल खुद मानक मोमबत्ती बन गए।
सैद्धांतिक पक्ष पर, 1922 और 1924 के बीच रूसी गणितज्ञ अलेक्सांद्र फ्रेडमैन ने आइंस्टीन के समीकरणों के लिए गैर-ब्रह्माण्डीय ब्रह्मांड संबंधी समाधानों का अध्ययन किया। ये ब्रह्मांड के विस्तार या संकुचन की अनुमति देकर आइंस्टीन के मॉडल से आगे निकल गए और ब्रह्मांड को समाहित करने की अनुमति देकर डि सेटर के मॉडल से परे। फ्रीडमैन ने नकारात्मक वक्रता के साथ कॉस्मोलॉजिकल मॉडल भी पेश किए। (एक नकारात्मक रूप से घुमावदार जगह में, एक त्रिकोण के कोण 180 ° से कम तक जुड़ते हैं।) फ्रीडमैन के समाधानों पर तत्काल प्रभाव पड़ा, आंशिक रूप से 1925 में उनकी प्रारंभिक मृत्यु के कारण और आंशिक रूप से क्योंकि उन्होंने खगोलीय टिप्पणियों से अपने सैद्धांतिक काम को नहीं जोड़ा था। यह मदद नहीं करता था कि आइंस्टीन ने एक नोट प्रकाशित किया जिसमें दावा किया गया कि फ्रीडमैन के 1922 के पेपर में एक मौलिक त्रुटि थी; बाद में आइंस्टीन ने इस आलोचना को वापस ले लिया।
