Lịch sử thiên văn học
Vũ trụ học và sự giãn nở của vũ trụ

Bài chi tiết: Vũ trụ học vật lý
Năm 1905, Albert Einstein đưa ra thuyết tương đối hẹp với công thức nổi tiếng về quan hệ giữa năng lượng với khối lượng của vật thể E = mc². Ông cũng chỉ ra rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số và hệ quả của nó là thời gian trong một hệ quy chiếu chuyển động nhanh sẽ trôi chậm hơn so với trong hệ quy chiếu chuyển động chậm. Năm 1916, ông tiếp tục công bố thuyết tương đối tổng quát và dùng nó để xác định cấu trúc, mô hình của vũ trụ trong tác phẩm "Những vấn đề của vũ trụ học và thuyết tương đối tổng quát" (năm 1917). Vũ trụ theo mô hình này có không-thời gian bị uốn cong do lực hấp dẫn và khép kín. Vũ trụ có một khối lượng nhất định, hữu hạn nhưng không có biên, ánh sáng trong đó sẽ lan truyền theo con đường ngắn nhất của không gian bị uốn cong rồi quay về điểm xuất phát. Độ cong của không-thời gian được kiểm định bằng kết quả thực nghiệm do Eddington tiến hành khi xảy ra nhật thực toàn phần ngày 29 tháng 5 năm 1919 tại đảo Príncipe Trị số vi sai xê dịch (độ lệch giữa vị trí thực và vị trí biểu kiến) của các ngôi sao gần Mặt Trời lớn hơn trị số mà ánh sáng bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn khi đi ngang qua nó, phần lớn hơn này chính là do độ cong của không-thời gian. Sau đó, tham vọng của Einstein là một lý thuyết thống nhất của mọi trường vật lý nhưng nó vẫn còn đang bỏ ngỏ và là thách thức đối với các thế hệ sau.
Một trong những mô hình có thể có của vũ trụ theo thuyết tương đối là vũ trụ giãn nở. Edwin Hubble đã tìm cách chứng minh bằng thực nghiệm mô hình này. Một số nhà thiên văn học đã quan sát thấy hiện tượng phổ của những thiên hà xa xôi dịch chuyển về phía màu đỏ. Hubble xác định được rằng mức độ dịch chuyển tỷ lệ thuận với khoảng cách đến các thiên hà và năm 1929 công bố bài báo Mối liên hệ giữa khoảng cách và tốc độ bức xạ ánh sáng của các tinh vân ngoài Thiên Hà. Trong bài báo đó, sau khi so sánh các dữ liệu về tốc độ bức xạ và khoảng cách của 46 tinh vân, ông đi đến kết luận rằng các thiên hà đang rời xa chúng ta với tốc độ tỷ lệ thuận với khoảng cách tới chúng. Đó chính là định luật Hubble còn hệ số tỷ lệ thuận được mang tên hằng số Hubble. Tuy nhiên, quan niệm về một vũ trụ giãn nở cũng có hai trường phái chính. Trường phái thứ nhất là vũ trụ định tĩnh. Khi giải các phương trình tổng quát về vũ trụ, chính cha đẻ của thuyết tương đối thấy rằng nó có thể giãn nở hoặc co lại. Điều này trái với niềm tin của ông về một vũ trụ tĩnh định và để giải quyết vấn đề, Einstein đã thêm vào những phương trình một tham số gọi là hằng số vũ trụ. Ủng hộ và phát triển thuyết vũ trụ định tĩnh là Fred Hoyle, theo ông vũ trụ giãn nở nhưng không có bất kỳ sự khác biệt nào khi quan sát từ những điểm khác nhau và thời điểm khác nhau. Đối lập lại, trường phái thứ hai cho rằng vũ trụ không tĩnh định. Một nhà bác học Nga, Alexander Friedmann, là người đầu tiên giải quyết các phương trình vũ trụ mà không dùng đến hằng số của Einstein. Từ năm 1922 cho đến 1924, các phương trình nổi tiếng mang tên ông đã chỉ ra rằng vũ trụ theo thuyết tương đối có thể có ba khả năng, trường hợp của Einstein chỉ là một trong số đó, đặc biệt là còn có một khả năng mà độ cong của không-thời gian mang giá trị âm. Với công trình này, Friedmann được coi là người khiến cho vũ trụ giãn nở. Năm 1927, Georges Lemaître đã đưa ra giả thuyết nguyên tử nguyên thủy mà sau này chính Hoyle khi phê phán nó đã gọi là giả thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang). Theo Lemaître, vũ trụ khởi thủy rất đậm đặc với mật độ vật chất vô cùng lớn. Sau đó, năm 1948, George Gamow cùng với Ralph Alpher và Robert Herman đã tiếp tục phát triển giả thuyết này và đưa ra quan điểm tổng quát hơn về một vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng. Họ cho rằng tại thời điểm của Vụ nổ lớn, vật chất có nhiệt độ vô cùng cao và tiên đoán cho đến nay sóng tàn dư của nó vẫn tồn tại tuy rất yếu (nhiệt độ chỉ vào khoảng 5 K) vì đã nhiều tỷ năm trôi qua. Khoảng năm 1964 Arno Penzias và Robert Woodrow Wilson đã thu được một loại sóng bằng kính thiên văn vô tuyến mà sau đó được xác định chính là sóng tàn dư thì đây được coi là bằng chứng thực tế khẳng định giả thuyết Vụ nổ lớn Năm 1989, những dữ liệu được vệ tinh COBE thu thập được đã cho phép xác định nhiệt độ của sóng tàn dư là vào khoảng 2,728 K.
Đầu thập niên 1980, Alan Guth và độc lập với ông, một vài người khác đưa ra lý thuyết vũ trụ lạm phát Tại thời điểm ngay sau khi Vụ nổ lớn xảy ra, với nhiệt độ vô cùng cao, vũ trụ có thể đã ở trong trạng thái phình to trong khi năng lượng của một đơn vị thể tích không thay đổi. Ở trạng thái đặc biệt này, áp suất có giá trị âm và lực hấp dẫn lại là lực đẩy lẫn nhau của các hạt vật chất. Giai đoạn lạm phát chỉ diễn ra trong khoảng thời gian rất nhỏ và sau đó vũ trụ tiếp tục giãn nở theo quán tính.