Galaksiler ve genişleyen evren
Einstein, yerçekimi teorisini neredeyse bir bütün olarak evrene uyguladı ve 1917'de ilk kozmolojik makalesini yayınladı. Astronomi alanındaki son çalışmalarla yakından tanışmadığı için evrenin statik ve değişmez olduğunu varsaydı. Einstein, maddenin evren boyunca eşit olarak dağıldığını varsaydı, ancak alan denklemlerine statik bir çözüm bulamadı. Sorun, evrendeki tüm maddelerin karşılıklı çekiminin, evreni daraltma eğiliminde olmasıydı. Bu nedenle Einstein, “kozmolojik sabit” faktörünü içeren ek bir terim getirdi. Yeni terim, yerçekiminin etkilerine karşı koymak için büyük mesafelerde hareket edebilen evrensel bir kozmik itici kuvvet sağladı. Daha sonra evrenin genişlemesini öğrendiğinde, Einstein kozmolojik sabiti kariyerinin en büyük gaf olarak tanımladı. (Ancak kozmolojik sabit, 20. yüzyılın sonları ve 21. yüzyılın kozmolojisine geri döndü. Einstein yanlış olsa bile, genellikle derin bir şeye düştü.)
Einstein'ın statik çözümü, sonlu hacimli bir evreni temsil ediyordu, ancak kenarları olmayan, kendi başına alan kavisli. Böylece, hayali bir gezgin sonsuza dek düz bir çizgide seyahat edebilir ve asla evrenin bir kenarına gelemezdi. Boşluk pozitif eğriliğe sahiptir, bu nedenle bir üçgendeki açılar 180 ° 'den fazla eklenir, ancak fazlalık sadece yeterli büyüklükteki üçgenlerde görülür. (İyi bir iki boyutlu benzetme Dünya'nın yüzeyidir. Bölgede sonludur ancak kenarı yoktur.)
20. yüzyılın başında, çoğu profesyonel astronom hala Samanyolu'nun görünür evrenle aynı şey olduğuna inanıyordu. Bir azınlık, ada evrenleri teorisine inanıyordu - sarmal bulutsular Samanyolu ile karşılaştırılabilecek çok büyük yıldız sistemleri ve aralarındaki geniş boş mesafelerle uzaya dağılmışlardı. Ada-evren teorisine bir itiraz, Kaçınma Bölgesi olarak adlandırılan Samanyolu uçağının yakınında çok az spiral görülmesiydi. Bu nedenle, spiraller bir şekilde Samanyolu sisteminin bir parçası olmalıdır. Ancak Amerikalı gökbilimci Heber Curtis, kenarda görülebilen bazı spirallerin “ekvatoral” uçaklarında açıkça çok miktarda toz içerdiğine dikkat çekti. Ayrıca Samanyolu'nun uçağı boyunca büyük miktarda tozun olmasını bekleyebilir, bu da neden birçok loş spiralin orada görülemediğini açıklar; düşük galaktik enlemlerde görünürlük sadece gizlidir. 1917'de Curtis, spiral fotoğraflarında üç nova buldu; bu novaların zayıflığı, spirallerin Samanyolu'ndan çok uzakta olduğunu ima etti.
Evrenin statik karakterine yakında meydan okundu. 1912'de Arizona'daki Lowell Gözlemevinde Amerikalı gökbilimci Vesto M. Slipher spiral bulutsuların radyal hızlarını ölçmeye başlamıştı. Slipher'ın incelediği ilk spiral, saniyede 300 km (200 mil) yaklaşma hızı ile, mavi renkte - yani Samanyolu'na doğru hareket eden - ortaya çıkan Andromeda Bulutsusu idi, herhangi bir gök için şimdiye kadar ölçülen en büyük hız o zamana kadar itiraz edebilir. 1917'de Slipher 25 spiral için radyal hızlara sahipti, bazıları saniyede 1.000 km (600 mil) kadar yüksekti. Bu hızlarda hareket eden nesneler Samanyolu'na ait olmayabilir. Birkaç tanesi mavi-gözenekli olmasına rağmen, ezici çoğunluk Samanyolu'ndan uzaktaki harekete karşılık gelen kırmızıya kaymıştır. Ancak gökbilimciler, evrenin genişlediğine hemen karar vermediler. Aksine, Slipher'in spiralleri gökyüzüne düzgün bir şekilde dağıtılmadığından, gökbilimciler verileri spirallerin sistemine göre Güneş'in hızını saptamak için kullandılar. Slipher spirallerinin çoğunluğu Samanyolu'nun bir tarafında ve geri çekilirken, birkaçı diğer tarafında ve yaklaşıyordu. Slipher için, Samanyolu'nun kendisi daha büyük bir spiral alanına göre hareket eden bir sarmaldı.
1917'de Hollandalı matematikçi Willem de Sitter, alan denklemlerinin Einstein'dan farklı olarak, mesafe ve kırmızıya kayma arasında bir korelasyon gösteren, görünüşte statik bir kozmolojik çözümü buldu. De Sitter'in çözümünün, evreni maddeden yoksun olarak tanımlayabileceği açık olmasa da, bu, gökbilimcileri mesafe ve kırmızıya kayma arasında bir ilişki aramaya motive etti. 1924'te İsveçli gökbilimci Karl Lundmark, spirallerin mesafeleri ve hızları arasında kabaca doğrusal bir ilişki (çok fazla dağılımla birlikte) veren ampirik bir çalışma yayınladı. Zorluk mesafeleri yeterince doğru bilmekti. Lundmark, bu novaların mesafeleri yaklaşık olarak bilinen Samanyolu'ndaki novalarla aynı ortalama mutlak parlaklığa sahip olacağını varsayarak, bu bulutsunun mesafesini oluşturmak için Andromeda Bulutsusu'nda gözlemlenen novaları kullandı. Daha uzaktaki spiraller için Lundmark, bu spirallerin Andromeda Bulutsusu ile aynı çap ve parlaklığa sahip olması gerektiğine dair kaba varsayımları başlattı. Böylece, novalar standart mumlar (yani tanımlanmış parlaklığa sahip nesneler) olarak işlev gördü ve daha uzak spiraller için, spirallerin kendileri standart mum haline geldi.
Teorik tarafta, 1922 ile 1924 arasında Rus matematikçi Aleksandr Friedmann, Einstein'ın denklemlerine statik olmayan kozmolojik çözümler inceledi. Bunlar, Einstein'ın modelinin ötesine geçerek evrenin genişlemesine veya daralmasına ve evrenin madde içermesine izin vererek de Sitter modelinin ötesine geçti. Friedmann ayrıca negatif eğrilikli kozmolojik modeller tanıttı. (Olumsuz kavisli bir alanda, bir üçgenin açıları 180 ° 'den daha azdır.) Friedmann'ın çözümlerinin, kısmen 1925'teki erken ölümü ve kısmen de teorik çalışmasını astronomik gözlemlerle ilişkilendirmediği için çok az etkisi oldu. Einstein'ın Friedmann'ın 1922 belgesinin temel bir hata içerdiğini iddia eden bir not yayınlamasına yardımcı olmadı; Einstein daha sonra bu eleştiriyi geri çekti.
