Walter Baade era um cidadão alemão que trabalhava nos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial. Baade foi impedido de trabalhar no esforço de guerra, enquanto outros cientistas eram obrigados ou se voluntariavam para fazê-lo, deixando para Baade o tempo de observação no grande telescópio refrator de 100 polegadas do Instituto de Tecnologia da Califórnia, no Monte Wilson.

Em 1944, Baade categorizou grupos de estrelas dentro da Via Láctea em duas populações estelares, embora tenha dito que Jan Oort já havia sugerido uma distinção semelhante em 1926 (baseada apenas na cor?).

Baade observou que estrelas mais azuis estavam fortemente associadas aos braços espirais, enquanto estrelas amarelas predominavam perto do bojo galáctico central e em aglomerados globulares bem além dos braços espirais. Ele denominou duas populações principais de estrelas: população I e população II. As propriedades espectrográficas dessas duas populações estelares sugerem composições químicas distintas.

Uma divisão hipotética mais recente, chamada população III, foi adicionada em 1978. Por definição, cada grupo populacional mostra a tendência em que um menor teor de metais indica uma idade mais avançada das estrelas. Assim, as primeiras estrelas do universo (com teor de metais muito baixo) são chamadas de população III, as estrelas antigas (baixa metalicidade) são da população II e as estrelas recentes (alta metalicidade) são da população I. O Sol é considerado da população I, uma estrela recente com uma metalicidade relativamente alta de 1,4% .

[Nota pessoal: Durante a palestra de Baade em Harvard, em 1959, meus colegas apontaram que eu havia sugerido que o Sol poderia, na verdade, ser uma população II mais antiga, disfarçada pela acumulação de poeira e gás dos braços espirais da Via Láctea.]

Na aula de Chuck Whitney sobre interiores estelares, eu calculei que o interior solar poderia ser composto de hidrogênio puro (com hélio no núcleo termonuclear) e ainda assim ter o mesmo raio. Uma fina camada externa poderia conter elementos pesados acumulados e o comprimento de mistura por convecção poderia ser muito curto, mantendo os elementos metálicos apenas na fina superfície solar.

Estrelas recém-formadas são frequentemente vistas rodeadas pelas nuvens de gás e poeira (nebulosas) de onde nasceram (cf. a Nebulosa de Órion). Outras nebulosas são rodeadas pelos detritos de uma estrela que morreu – uma supernova que explodiu (por exemplo, a Nebulosa do Caranguejo). O Caranguejo, na constelação de Cassiopeia, contém a primeira supernova já observada, pelo astrônomo dinamarquês Tycho Brahe em 1572.

O período de guerra representou uma grande vantagem para os esforços de Baade. A poluição luminosa na área de Los Angeles foi bastante reduzida pelos apagões parciais, que visavam ocultar alvos de submarinos inimigos. Como resultado, Baade conseguiu distinguir estrelas individuais na galáxia de Andrômeda. Ele observou dois tipos diferentes de estrelas variáveis Cefeidas, correspondentes às suas populações I e II. A luminosidade absoluta dessas estrelas havia sido descoberta como uma função do seu período de variação pela astrônoma de Harvard Henrietta Swan Leavitt em 1908.

As variáveis Cefeidas tornaram-se "velas padrão" para os astrônomos, usadas para calcular as distâncias até muitos objetos além do "grupo local" de galáxias.

Em 1929, Edwin Hubble usou o trabalho de Leavitt sobre as Cefeidas na Grande Nuvem de Magalhães para calcular a distância até Andrômeda e dezenas de outras galáxias próximas. Medições de desvio para o vermelho feitas por Vesto Slipher, colega de Hubble, estabeleceram a relação linear entre velocidade e distância que comprovou a expansão do universo, hoje conhecida como Lei de Hubble.

A comparação entre a taxa de expansão de Hubble e a densidade total da matéria conhecida levou os astrônomos a afirmar que o universo não se expandiria indefinidamente. O modelo cosmológico preferido até meados da década de 1950 era o de um espaço ilimitado, porém finito, dentro do qual todos os caminhos acabavam por se curvar sobre si mesmos. Acreditava-se que o espaço era curvado positivamente, de acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein . O universo era considerado ilimitado, mas com um volume finito.

Baade reconheceu que as Cefeidas estudadas por Leavitt eram o que hoje chamamos de estrelas da População I, e que seu segundo tipo fazia parte da População II, mais antiga. O segundo tipo é intrinsecamente muito mais brilhante, o que coloca a galáxia de Andrômeda muito mais distante e o universo muito maior. Baade apresentou seus resultados pela primeira vez em Roma, em 1952, mas foi somente em 1956 que o fato de o universo ser maior foi aceito. Desde então, acredita-se que o universo não contenha matéria suficiente para ser fechado. Sua expansão infinita é inevitável.

Fritz Zwicky, colega de Baade no Caltech, questionou a interpretação do desvio para o vermelho como velocidade, pois sugeria velocidades muito altas, e propôs outra fonte para o deslocamento do comprimento de onda. A análise de Zwicky sobre as velocidades no grande aglomerado de galáxias de Coma mostrou que não há matéria observável suficiente para satisfazer o teorema virial. Zwicky foi, portanto, o primeiro a inferir a existência de matéria escura invisível, que ele chamou de "matéria escura".

Em 1934, trabalhando com Zwicky, Baade propôs que estrelas em explosão poderiam expelir a maior parte de sua matéria e comprimir seus núcleos para formar estrelas minúsculas compostas inteiramente de nêutrons. Ele e Baade chamaram tal estrela em explosão de "supernova". Supernovas em explosão, especialmente as do tipo Ia, tornaram-se as "velas padrão" mais distantes já observadas, com sua luminosidade absoluta determinada pelo formato de suas "curvas de luz", o aumento do brilho em função do tempo.

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