暗物质很神秘，它不与任何形式的电磁辐射相互作用：比如光，暗物质不发光，也不反射光。尽管我们无法直接观测暗物质，但有大量证据证明暗物质的确存在。
上世纪40年代，弗里兹·扎维奇（ Fritz Zwicky ）首先发现暗物质。他在观测近距空间和后发座星系团时，通过观测这些星系发出的光线，估算出了星系团的整体质量。但当扎维奇测量星系团中各个星系相对于星系团的运动速度时，却发现星系团中星系的速度弥散度过高，相比下星系团质量产生的的引力很小：星团本该早被撕碎的。
不太可能是扎维奇正好观测到刚开始分解的星团。相反，是除星系中可见物质以外的质量极大的物质的引力，将星系束缚在星系团内。扎维奇推测，一定有一些我们看不见的物质在作用着：这种物质会产生可观测到的引力作用，但不像普通正常物质一样发出辐射。
单个星系旋转曲线也进一步证明了暗物质的存在：它描述了漩涡星系中可见天体的环绕速度和其距离星系中心距离的关系。靠近外围的天体绕星系中心旋转速度很快，它们本不应该束缚于星系中——但事实确实如此。如果我们现有对引力的认知是正确的，对这些天体的快速旋转只有一个解释：在星系晕中有无法观测的质量存在。
NASA, ESA, and D. Coe (NASA JPL/Caltech and STScI)
蓝色为聚集在阿贝尔1689星系团的暗物质。天文学家们通过引力透镜定位了这些聚集。
宇宙学家通过引力透镜，也推测暗物质存在。因为光线从遥远的星系传播到地球的过程中，必须经过其他星系团等其他天体。所以当光经过这样的星系团时，星系团强烈的引力场会像透镜一样，使遥远星系传来的光发生弯折和放大。背景星系的成像可能会被扭曲成光弧或光环，或者被分离成多重成像。由于扭曲程度取决于前景星系团的质量，天文学家们可以通过引力透镜来测量周围星系团的质量。测量结果中始终不变的是，星系团的质量远应比测量结果大。
宇宙中微波背景中的波动——大爆炸中剩余的辐射——进一步证明了暗物质存在。宇宙学家可以通过这些波动计算出宇宙的密度和组成。通过利用欧洲航天局的普朗克航天器计算，原子只构成宇宙能量和质量总和的4.9%。而且，常规物质只占总物质（常规物质和暗物质）的六分之一。所以暗物质占了宇宙总质量和能量的27%。
此外，只有当将暗物质计算在内时，对大型天体的模拟和观测才匹配。若不将暗物质计算在内，模拟则无法推算出我们在宇宙中看到的组成星系团“宇宙网”中的星系纤维和孔洞。
暗物质的性质尚未研究清楚。科学家们在最广泛研究的模型中，假定暗物质由弱相互作用有质量粒子（WIMPs )组成。目前已知的粒子物理标准模型中，还不存在这种这种亚原子粒子，但科学家们预测，这种粒子在超对称模型的延伸中存在。弱相互作用有质量粒子会通过引力和常规物质作用，很少情况下，也会通过弱核力相互作用，弱核力是四大基本力之一（其它三个力分别是：强核力，电磁力和引力）。
科学家们现在正在试图利用地下矿的探测器直接找到弱相互作用有质量粒子，或用使用间接的方法：用伽玛射线毁坏粒子，粒子会释放辐射。（后者需要弱相互作用有质量粒子做自己的反粒子：物质+反物质=咪咪嘛咪哄完成！）。然而，最近的回避侦测，比如从LUX探测器，superCDMS探测器和大型强子对撞机的报告显示，科学家们面临着复杂程度前所未有的弱相互作用有质量粒子模型。
当然，也有可能是我们急需修正现有对引力的认知，修正爱因斯坦的广义相对论。到目前为止，广义相对论还是经得住考验的，但一些天文学家和物理学家正在研究引力变化，比如提出修改的牛顿动力学（MOND理论），来尝试能否证明暗物质是不存在的。
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