Depuis que la théorie de la relativité générale d’Einstein a été appliquée à ce que l’on sait de l’univers dans son ensemble, on soupçonne que l’univers est en expansion. Lorsque Edwin Hubble et Milton Humason ont découvert dans les années 1920 que pratiquement toutes les galaxies du ciel s’éloignaient de nous à grande vitesse, cela a renforcé les soupçons selon lesquels l’univers s’étendait à un rythme rapide. Pourtant, ce n’est qu’en 2000 que des preuves décisives ont finalement été trouvées en faveur de l’expansion de l’univers, sous la forme de vastes relevés de décalage vers le rouge d’objets très éloignés.
L’univers en expansion est souvent cité comme la découverte la plus importante de la cosmologie moderne. À l’époque d’Einstein, la théorie de l’état stationnaire était la théorie prédominante, selon laquelle l’univers restait équilibré à la même taille. Einstein, dont les équations prédisaient l’expansion ou la contraction universelle mais pas la stase, a artificiellement introduit une variable stabilisatrice dans ses équations, appelée la « constante cosmologique ». Après s’être rendu compte des observations de Hubble que l’univers était probablement en expansion, il a appelé plus tard cela sa « plus grande bévue ».
Le phénomène qui a d’abord conduit les cosmologistes et les astronomes à prédire un univers en expansion était l’analyse de Hubble du décalage vers le rouge. À l’aide de l’observatoire du mont Wilson, qui était le meilleur télescope au monde à l’époque, Hubble a observé des galaxies lointaines et a vu qu’elles semblaient progressivement rouges. Il a regardé plus loin dans l’espace, et par extension, plus loin dans le temps également, car la lumière met des milliards d’années pour voyager de ces galaxies à la Terre. Parce que le facteur de rougeur était si bien corrélé avec l’augmentation de la distance, Hubble soupçonnait qu’il s’agissait d’un phénomène fiable avec une cause physique.
La cause a été déterminée comme suit : à mesure que l’univers s’étend, l’espace sous-jacent augmente en volume, mais la lumière qui le traverse reste la même. L’espace en expansion étire la longueur d’onde de la lumière, la rendant plus longue et donc plus rouge. Une analogie parfois utilisée est celle des points sur la surface d’un ballon en expansion. Dessinez un motif de vague sur un ballon et pendant que vous le gonflez, remarquez comment la vague s’étire et s’allonge. C’est le même principe derrière le phénomène de redshift.
En 1998, on a découvert non seulement que l’univers est en expansion, mais qu’il s’étend probablement à un rythme accéléré. La raison physique de cela est attribuée à une mystérieuse «énergie noire», ainsi nommée parce que nous en savons à peine quelque chose.