19、20世纪之交，“第谷型”工作已经进展到：记录有6万多颗恒星位置和亮度（星等）的波恩星表（BD）已经发表了近半个世纪；国际合作的照相天图星表正在执行；含有27万颗恒星“光谱分类”的哈佛大学HD星表已经进行了约三分之一；数以千计的恒星的物理参数获得了那一时期尽可能精细的测量。这在当时可谓大规模的资料积累中，恒星的亮度、光谱、颜色、位置以及由位置的变化导出的“视差”（距离）和“自行”，都有了定量的标准。20世纪初期已经有了近10万颗恒星的光谱分类资料，测到过“视差”的星数大约近1千。这些为这一时期的“开普勒型”工作的巨大进展提供了条件。
赫茨普龙在1905年和1907年，罗素在1913年分别独立地发现，由光谱分类或由颜色测定所反映的恒星表面温度与恒星光度之间有着内在的关系，表现在“光谱型——绝对星等”图上。几百个不同颜色、不同光度的星，位置大部分集中在一双斜线的范围里。这种关系，无疑是恒星内部的物理结构，以及不同恒星之间某种演化上的关系的反映。这种图被称为“赫茨普龙-罗素图”，简称为“赫罗图”。赫罗图蕴涵有恒星结构和演化的关键物理信息，是尔后恒星演化研究和实测的引导。它的提出，超前于现代恒星演化理论近20年。
随着观测精度的提高，赫罗图的结构轮廓更加分明，接近了右边的理想分布。这给予任何恒星理论的严格的约束，正如当年开普勒经验关系给予行星运行理论的约束一样。
20世纪20年代，借助于经典物理学，已建立了恒星结构中最外层的“恒星大气”的研究，以及由表及里地探讨了恒星内部结构。这些研究中牵涉到在恒星环境下的原子物理过程和辐射转移过程。量子力学问世以后，这些研究取得了长足的进展。在恒星内部结构模型的建立中，估计出质量象太阳这样大小的恒星，其中心部分的温度当高达1 000万度级。因而预感到可能在那里发生了亚原子反应，产生能量。20世纪30年代的核物理实验确立了在高温中氢-氦核聚变的产生机制。随后的理论研究开始建立以核聚变为核心的恒星演化模型。
这个恒星演化模型我们将在下一节里着重介绍。
这里要指出的是，20世纪20年代以来，赫罗图成为恒星演化研究的引导。目前普遍采纳的模型使用了极其简洁的前提条件：（1）所有的恒星最初都是由以氢和氦为主的原始气体云凝聚而成；（2）发生在恒星核心的核聚变制约了整个演化过程。天空中数以亿计的形形色色的恒星，不同之处只是在于原始云的质量不同和“年龄”的不同。以现代物理学为工具，算出所有可能的原始质量和所有可能的“年龄”的恒星在赫罗图上的位置，并点在图上。其图象与赫罗图吻合。这个模型还预言了中子星和黑洞（作为演化末期的必然产物）。20世纪60年代里中子星以脉冲星的形式被发现。人们对黑洞物理作了深入的探讨，并积极寻找实测根据。
这个模型不但从简洁的起点一举解释了满天形形色色恒星现象的本质，而且解释了元素周期表中所有的元素，是在同一起点条件下，在恒星演化过程中一一加工出来的。这一理论模型“一箭双雕”，对自然界的两个基本现象作了简单、统一，因而十分有吸引力的说明。应当说，是人认识自然的一个重要的发展。
这种“元素合成”理论算出的，除氢和氦外，元素的“丰度”（与天体中氢含量的比例）与实测相符。但氢和氦之比存在着矛盾。在下面介绍另一次天文飞跃时将说明，这个矛盾已获得很好的解决。
连结哈勃定律的飞跃
前面在讨论“视限阶梯”时，我们看到一般恒星的实测“视限”为百万光年级。因此在宇宙整体中属“近”距离资料。尤其是用以总结出象恒星演化这样的规律所用的素材，基本上是几千光年内的实体。把这样得来的知识推广到以百亿光年计的宇宙空间，是一个很大的外插。不过，我们还是（且也只能）使用这种外插（包括必要的推理），来理解星系的发光，哪怕是非常遥远的星系。至于遥远星系的群体，以及群体形成之前的早期宇宙，则有待于哈勃定律以及与之连结的“大爆炸宇宙学”开辟出一条可循的研究之路。
20世纪20年代初，大型玻璃浇铸、玻璃面镀银技术已产生了1.5 m～2.5 m的反射望远镜；照相底片已能适应天文上较长时间曝光的应用；天文观测条件较好的现代台址选择和建设已列入议程。
20世纪10年代，已发现了造父变星的“周光关系”，并断定在银河系以外存在着遥远星系。哈勃和其他天文学家利用天文照相，观测证认并研究了数以万计的星系，于1926年提出了“哈勃分类”。1929年，哈勃发表了他对24个河外星系的视向速度测量和距离估计的结果。视向速度是由星系光谱线的位移测量得到的。因为星系谱线都是向波长长的一端偏移，这现象便被称为“红移”。用多普勒效应解释，“红移”的量代表着星系的“退行”速度。星系的距离，到现在仍是一个实测上的难题。哈勃当时用星系中最亮的恒星的测光，以及对少数测出有造父变星的星系等，估计了一批星系的距离。哈勃发表的原图，弥散很大，不过还是可以显出明确的关系：表达为v=HD。v为星系的退行速率，D为星系距离，H被称为“哈勃常数”。这个关系被称为“哈勃定律”。
哈勃定律描述了所有测到谱线的星系在大尺度规模上的退行，距离愈远退行愈快。这可以解释为这部分“宇宙”正在膨胀。如果我们坚持前面说过的一条先验原则，即我们所处的位置在宇宙中不具有特殊地位，那么，哈勃定律应当适用于宇宙间任何位置上的观测者。这就是说，整个宇宙正按哈勃定律在膨胀。
膨胀宇宙的假说如果被接受（目前大多数天文学家是接受的），对天文学将带来三个至关重要的结果：
其一，假设我们看到的是正在膨胀中的宇宙，那么回过头来看，必定有一个时候整个宇宙都压缩在一个极小的范围里，密度极大，温度极高；必定在那个时候发生了一次“大爆炸”，启动了宇宙膨胀。从大爆炸之后且非常接近大爆炸的刹那起，宇宙的物理状态是可以应用现代物理学的知识描述的。以此为起点，循着那时开始的宇宙膨胀过程，来计算出整体宇宙的演化，直到与今日所见的情景相校验。这样的由“膨胀宇宙”这一“经验模型”引发出的整个宇宙演化的“物理模型”称为“大爆炸宇宙学”。我们将在下一节结合前面说过的恒星演化模型较为系统地陈述。
其二，哈勃定律v=HD的普遍性如果得到承认，那么我们就可以通过测量v来求出D。只要能测到星系的低色散光谱，就可以测出谱线红移，从而测出v。这比起其它测量星系距离的方法容易得多，因而成为目前用以估计远方天体距离的唯一方法。
其三，当我们测量到某一遥远天体的距离为若干光年，例如D光年时，由于天体上的光在空间中走了D年才到达，因而我们读到的是D年以前这一天体的信息。如果宇宙万物的年龄从“大爆炸”时刻算起，那么我们测到的远方天体的距离序列即等同于演化年龄的序列。这是我们能够从实测上探讨宇宙演化（以及星系演化）的依靠。
这些结果使得测量“红移”和标准H成为星系及宇宙层次研究的当务之急。后面我们将再提到这些。
（三）天文大统一模型
把大爆炸宇宙学和恒星演化理论衔接起来，我们能够系统地用自洽的科学语言描述宇宙从诞生开始直到演化成今天所见的包罗万象的天文世界。为此我们杜撰一个名词，叫做“天文大统一模型”。
把宇宙作为一个整体来考虑，首先要确定宇宙间的物质之间以及物质和空间、时间的关系。1916年，爱因斯坦提出广义相对论。这一理论主张，时间和空间并不像人们一贯认为的那样，只是一个让物体在其中运动而本身却不受影响的容器，而更像是一个形状依赖于其上所载的大小不一的物体的弹性薄膜。自由粒子和光沿着这一形变薄膜上弯曲的短程线运动的路径，就象它们在物体引力的作用下偏离直线运动的轨迹一样。这种关于时间、空间和引力的新理论，不仅正确地预言日全食时能看到掠过太阳边缘的星光发生1.75角秒的偏折，而且完满地解释了牛顿引力理论不能说明的水星近日点每百年前移43角秒的现象。1917年，爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究，揭开了科学宇宙学的序幕。1924年，弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，而不会保持静止。1929年哈勃发现了哈勃定律，为弗里德曼的宇宙学模型提供了观测依据。
按照目前测定的哈勃常数H，可以估计出我们宇宙的开端——“大爆炸”发生在距今100亿年～200亿年前。宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙龄”所界定的上限。借助卢瑟福所开创的利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石、“阿波罗号”的宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石等样本，发现它们的年龄均不超过47亿年。恒星的年龄可以从恒星演化理论来估计，得到银河系中最古老的恒星的年龄为100亿年～150亿年。用这些各不相同的方法得到的天体年龄均与“宇宙龄”不矛盾（而且相当协调一致！）。
根据20世纪40年代伽莫夫等人开创的对早期宇宙高密状态的研究，人们现在普遍认为那时的宇宙应当非常炽热。在大爆炸后一秒钟之前，宇宙中的温度高于1.0×1010K。那时不仅不可能存在星系、恒星、地球，甚至除氢核外也没有其它化学元素，只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙汤”。起初，中子和质子的数量几乎相等。随着膨胀，密度减小，温度降低，两者的比例逐渐下降，在约3分钟时达到了1∶6左右。当温度降到1.0×109K时，中子和质子合成氘核的反应开始，类似氢弹爆炸时发生的聚变过程迅速把所有的中子合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中。由此不难算出，氦同氢的质量比应约为1∶3。天文观测表明，无论在恒星、或星际物质中，氦与氢的比例大体与此相符。同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素，尽管数量小得多，但它们的丰度（即与氢的比例）也有类似的普适性。这对大爆炸模型无疑是一个有力的支持。
前面说过，大爆炸后几分钟，宇宙经历类似氢弹爆炸，成为处处充满了温度1.0×109K左右光辐射的火球。由于处于热平衡中，这种辐射强度随波长的分布服从普朗克分布（或称黑体谱）。随着宇宙的膨胀，辐射温度不断下降，但始终保持黑体谱形和总体均匀性。按伽莫夫等人在20世纪40年代的计算，宇宙膨胀到现在，这个辐射应表现为均匀地充满空间的温度约5 K的背景黑体辐射。1964年美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35 cm波长处探测到了一种来自宇宙空间的、强度与方向无关的3K辐射。这很快被证认为伽莫夫预言的宇宙背景。1989年，为此专门发射了“宇宙背景探测者”卫星，第一批卫星数据表明：在从0.5 mm到5 mm的整个波段上，该辐射的谱分布与温度为2.375 K±0.06 K的理想黑体吻合；在扣除了运动效应以后，天空不同方向的相对温差小于一万分之一。这无庸置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普适性。它是大爆炸宇宙学模型的令人信服的证据。
这些“早期宇宙”的物理及其预测，使大爆炸宇宙学能够通过实测检验以求发展，这一切是从大爆炸发生后约1 s，宇宙温度为1.0×1010 K时开始的，更早期的情况是温度更高，例如上溯到大爆炸后百分之一秒，温度为1.0×1011K，相应的能量为1.0×107eV，也就是进入了高能物理学的研究领域。这一时刻及在它之前的宇宙称为“极早期宇宙”。人们探索微观世界和宇宙结构的努力在这里会合了。这里我们将先概说20世纪70年代以来粒子物理学家和宇宙学者联手勾画出的宇宙“极早期”演化史，然后再接着前面所说的“早期宇宙”的历史，看它是如何逐次演变到我们今天所认识的天文世界的。
