L’astrofísica, ciència que neix a finals del s. XIX, desvia el interès pel moviment dels planetes, i el dirigeix al coneixement de l’estructura de l’univers, estudiant la naturalesa de les estrelles fixes, la composició física de les quals s’arriba a conèixer. El desenvolupament tecnològic que aporten els grans telescopis i les noves tècniques de espectroscòpia i fotografia permet una intensificació de les observacions astronòmiques i astrofísiques, així com experiments de laboratori, i la intensificació de la investigació especulativa. És l’època que es construeixen hipòtesi basades en la teoria de la gravitació per explicar l’origen del sistema solar (hipòtesi de Kant-Laplace), que U. Le Verrier i J.C. Adams descobreixen el planeta Neptú aplicant les lleis de Newton, però comença també l’època de noves teories cosmològiques sobre l’evolució de l’univers. En 1929, l’astrònom nord-americà Edwin Hubble (1889-1953) prova experimentalment (pel fenomen conegut com a «desplaçament al vermell» en l’espectre òptic de la llum que emeten les galàxies llunyanes) que les galàxies distants s’allunyen de la Terra amb major velocitat quant més allunyades estan. Es va veure en això la confirmació experimental de la teoria d’un univers en estat d’expansió. Si l’univers s’expandeix, no és infinit i ha tingut un començament. L’univers es considera, a partir d’aquest moment, com un tot finit i homogeni en moviment; per tant, pot estudiar-se com un tot dinàmic sotmès a les lleis de la gravitació. La relació del moviment de l’univers amb la gravitació és justament el que proposa la teoria de la relativitat d’Einstein (per a qui la gravitació és un efecte de l’acceleració procedent de l’espai corb). El meteoròleg rus, Alexander Friedmann (1888-1925) havia ja construït, en 1922, el model matemàtic d’univers resultant de l’aplicació de la teoria de la gravitació a un univers en expansió, i d’allà sorgeix la teoria de l’origen del món per un esclat inicial d’una massa de matèria comprimida en un punt matemàtic amb densitat i corbes infinites (teoria del «Big Bang»). La resta cosmològica calòrica calculada d’aquest supòsit esclat inicial immensament intens, després d’un període de temps de 10 mil milions d’anys d’expansió i refredament de la bola de foc inicial, va ser descobert en 1965 pels astrònoms americans, Arno Penzias i Robert Wilson, i és conegut amb el nom de «radiació còsmica de fons» (a la qual s’assigna una temperatura de només tres graus per damunt del zero absolut). Les observacions del satèl·lit Cobe, primer (en 1992), i del satèl·lit Wmap, a partir del 2004, permeten calcular amb força precisió aquest fenomen.