Dunkle Materie ist eine mysteriöse Form von Materie, die Gravitationseffekte auf gewöhnliche Materie ausübt, aber auf andere Weise nicht beobachtet werden kann. Während konventionelle Materiewolken durch ihre stellare Aktivität, Lichtstreuung, Radioemissionen und andere Mittel nachgewiesen werden können, sind dunkle Materiewolken für die überwiegende Mehrheit unserer Instrumente unsichtbar. Dennoch machen sie 90% – 99% der Materie im Universum aus.
In den 30er Jahren führten die Astronomen Fritz Zwicky und Sinclair Smith eine Analyse der Geschwindigkeit von Galaxien innerhalb der großen Galaxienhaufen Virgo und Coma durch. Sie entdeckten, dass sich alle Galaxien zehn- bis hundertmal schneller bewegten, als sie sein sollten, wenn man die Schätzungen auf der Grundlage der beobachteten Sternendichte berücksichtigt. Etwas Unsichtbares erzeugte zusätzliche Schwerkraft.
Obwohl die ersten Beobachtungen von Zwicky und Smith starke Beweise für die Dunkle Materie zu liefern schienen, waren nicht alle Kosmologen überzeugt. Da diese Galaxienhaufen so weit entfernt waren, war es schwierig, die unabhängigen Geschwindigkeiten jeder Galaxie auf einer Zeitskala von nur Jahrzehnten genau zu messen. Stärkere Beweise kamen in den 70er Jahren, als Wissenschaftler wie Rubin, Freeman und Peebles begannen, die Rotationskurven von Galaxien zu analysieren. Sterne in Spiralgalaxien, wie unserer eigenen, bewegten sich schneller um den galaktischen Kern, als ihre beobachtbare Masse vermuten ließe.
Es wurde schließlich entdeckt, dass alle Galaxien Halos aus dunkler Materie enthalten, die sich weit über die durch ein Teleskop angezeigten Grenzen der Galaxie erstrecken. Diese Halos sollen aus MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) und WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) bestehen. MACHOs werden theoretisiert, um hauptsächlich Schwarze Löcher und Braune Zwerge (ausgebrannte Sterne) zu sein. Sie bestehen aus konventioneller oder baryonischer Materie – den uns bekannten Atomen, nur hoch komprimiert. WIMPs sind nicht-baryonische Formen von Materie, schwach wechselwirkende Teilchen, die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen. Der wahrscheinlichste Kandidat für WIMPs sind das Neutrino und seine Cousins.