Сучасні вчені вже зійшлися на думці, що 90% маси всесвіту знаходиться у формі матерії, яку ми не можемо спостерігати.

Хоча побудовано карти найближчих областей Всесвіту у спектрах від радіохвиль і до гамма-променів, матерія, що випромінює ці хвилі, має масу у 10% від маси речовини, яка має знаходитися у цих областях. Як висловився з цього приводу Брюс Маргон, астроном з Університету Вашингтона, у газеті Нью-Йорк Таймс у 2001 році: «Це дуже неприємна ситуація, коли ми не можемо знайти 90 відсотків Всесвіту».

Цій «відсутній масі» дали назву темна матерія, ці два слова дуже добре описують все, що ми поки що про неї знаємо. Нам відомо, що там є «матерія», оскільки ми можемо спостерігати за наслідками впливу її притягання. Але ця матерія на випромінює будь-яких електромагнітних хвиль, які ми могли б виявити, отже вона є «темною». Існує декілька теорій щодо цієї матерії: від екзотичних субатомних часток до сукупності відокремлених чорних дірок або менш екзотичних коричневих та білих карликів. Термін «відсутня маса» може ввести в оману, оскільки сама маса нікуди не поділася — ми просто не бачимо її випромінення. Але що ж насправді ховається за терміном темна матерія і звідки ми знаємо, що вона існує, якщо не можемо її побачити?

Ця історія почалася у 1933 році, коли астроном Фріц Цвікі вивчав рух віддалених і масивних скупчень галактик, зокрема скупчення Кома і скупчення у сузір’ї Діви. Цвікі оцінив масу кожної з галактик у скупченні за їх світностями, а потім додав ці маси, щоб отримати загальну масу скупчення. Потім він виконав іншу, незалежну оцінку маси скупчення, засновану на вимірі різниці між швидкостями окремих галактик скупчення. Він був дуже здивований, коли ця друга оцінка динамічної маси виявилася у 400 разів більшою за засновану на світності галактики.

Хоча факт став добре відомим ще у часи Цвікі, до 1970 років вчені не розпочинали систематичного вивчення цієї розбіжності. Лише з 1970 років тема існування темної матерії почала серйозно досліджуватися. Існування такої матерії не лише розв’язало б питання нестачі маси у скупченнях галактик, воно також могло б пролити світло на шляхи розвитку і, зрештою, долю всесвіту.

Іншими явищами, які підтверджують існування темної матерії, є явища, що виникають під час обертання спіральних галактик. Спіральні галактики складаються з великої кількості зірок, що обертаються навколо галактичного центру майже за коловими орбітами, дуже схожими на орбіти, за якими обертаються навколо зірок планети. Так само, як і планети, зірки, які обертаються далі від центру повинні мати меншу орбітальну швидкість (це твердження є прямим наслідком третього закону Кеплера). Насправді, третій закон Кеплера виконується лише для зірок, що знаходяться поряд з зовнішньою частиною спіральної галактики, оскільки в основі цього закону лежить припущення, що масу розподілено рівномірно вздовж радіусу орбіт.

Але астрономічні спостереження орбітальних швидкостей зірок зовнішніх частин великої кількості спіральних галактик свідчать про те, що для жодної з них не виконується третій закон Кеплера. Замість того, щоб зменшуватися зі зростанням відстані від центра, орбітальні швидкості залишаються майже сталими. Це змушує нас припускати, що зі зростанням відстані зростає і маса зосереджена на орбіті, навіть для зірок, які знаходяться майже на межі галактики. Тому, імовірно, галактика не обмежується областю, де ми спостерігаємо у речовину, що випромінює світло, а продовжується далеко за межі областей, зайнятих зірками.

Існує і ще одне додаткове свідчення. Розглянемо докладніше зірки, розташовані на периметрі спіральної галактики. Вони рухаються з середньою орбітальною швидкістю близько 200 кілометрів на секунду. Якщо б галактика складалася лише з речовини, яку ми можемо бачити, ці зірки швидко б вилетіли з галактики, оскільки їх орбітальні швидкості у чотири рази перевищують швидкість, яка потрібна для вильоту з галактики. Оскільки ми не спостерігаємо того, що зірки з галактик розлітаються на всі боки, у галактиці повинна існувати маса, яку ми не врахували, коли додавали маси частин галактики, які ми бачимо.

У літературі можна знайти декілька теорій, які намагаються пояснити походження невидимої маси, таких як WIMP (Weakly Interacting Massive Particles (Масивних часток зі слабкою взаємодією)), MACHOs (MAssive Compact Halo Objects (Масивних компактних кільцевих об’єктів)), первісних чорних дірок, масивних нейтрино тощо. Кожна з цих теорій має слабкі і сильні сторони. Астрономічна спільнота все ще немає загальноприйнятої теорії, оскільки ми ще не вигадали спосіб, у який можна було б перевірити всі ці теорії.