La materia oscura è una misteriosa forma di materia che esercita effetti gravitazionali sulla materia ordinaria ma non può essere osservata con altri mezzi. Mentre le nuvole di materia convenzionali possono essere rilevate attraverso la loro attività stellare, diffusione della luce, emissioni radio e altri mezzi, le nuvole di materia oscura sono invisibili alla stragrande maggioranza dei nostri strumenti. Eppure costituiscono il 90% – 99% della materia nell’universo.
Negli anni ’30, gli astronomi Fritz Zwicky e Sinclair Smith hanno eseguito un’analisi della velocità delle galassie all’interno dei grandi ammassi galattici Virgo e Coma. Hanno scoperto che tutte le galassie si muovevano da dieci a cento volte più velocemente di quanto avrebbero dovuto, date le stime basate sulla densità stellare osservata. Qualcosa di invisibile stava generando ulteriore gravità.
Sebbene le osservazioni iniziali di Zwicky e Smith sembravano fornire una forte evidenza per la materia oscura, non tutti i cosmologi erano convinti. Poiché questi ammassi galattici erano così lontani, era difficile misurare con precisione le velocità indipendenti di ciascuna galassia su una scala temporale di pochi decenni. Prove più forti arrivarono negli anni ’70 quando scienziati come Rubin, Freeman e Peebles iniziarono ad analizzare le curve di rotazione delle galassie. Le stelle nelle galassie a spirale, come la nostra, si muovevano intorno al nucleo galattico più velocemente di quanto la loro massa osservabile avrebbe indicato.
Alla fine si scoprì che tutte le galassie contengono aloni di materia oscura che si estendono ben oltre i confini della galassia indicata da un telescopio. Si dice che questi aloni siano costituiti da MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) e WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Si ipotizza che i MACHO siano principalmente buchi neri e nane brune (stelle bruciate). Sono costituiti da materia convenzionale o barionica: gli atomi con cui abbiamo familiarità, solo altamente compressi. Si dice che le WIMP siano forme di materia non barionica, particelle debolmente interagenti che si muovono a velocità relativistiche. I candidati più probabili per le WIMP sono il neutrino e i suoi cugini.