La materia oscura es una forma misteriosa de materia que ejerce efectos gravitacionales sobre la materia ordinaria pero que no se puede observar por ningún otro medio. Si bien las nubes de materia convencionales pueden detectarse mediante su actividad estelar, la dispersión de la luz, las emisiones de radio y otros medios, las nubes de materia oscura son invisibles para la gran mayoría de nuestros instrumentos. Sin embargo, constituyen entre el 90% y el 99% de la materia del universo.
En los años 30, los astrónomos Fritz Zwicky y Sinclair Smith realizaron un análisis de la velocidad de las galaxias dentro de los grandes cúmulos galácticos Virgo y Coma. Descubrieron que todas las galaxias se movían entre diez y cien veces más rápido de lo que deberían, dadas las estimaciones basadas en la densidad estelar observada. Algo invisible estaba generando gravedad adicional.
Aunque las observaciones iniciales de Zwicky y Smith parecían proporcionar una fuerte evidencia de la materia oscura, no todos los cosmólogos estaban convencidos. Debido a que estos cúmulos galácticos estaban tan lejos, era difícil medir con precisión las velocidades independientes de cada galaxia en una escala de tiempo de meras décadas. La evidencia más sólida se produjo en los años 70 cuando científicos como Rubin, Freeman y Peebles comenzaron a analizar las curvas de rotación de las galaxias. Las estrellas en galaxias espirales, como la nuestra, se movían más rápido alrededor del núcleo galáctico de lo que indicaría su masa observable.
Finalmente se descubrió que todas las galaxias contienen halos de materia oscura que se extienden mucho más allá de los límites de la galaxia indicados por un telescopio. Se dice que estos halos están formados por MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) y WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Se teoriza que los MACHO son en su mayoría agujeros negros y enanas marrones (estrellas quemadas). Están formados por materia convencional o bariónica, los átomos con los que estamos familiarizados, solo que están muy comprimidos. Se dice que los WIMP son formas de materia no bariónicas, partículas de interacción débil que se mueven a velocidades relativistas. El candidato más probable para WIMP es el neutrino y sus primos.