Làm thế nào bạn có thể biết một cái gì đó ở đó khi bạn không thể nhìn thấy nó? Thông thường có những dấu hiệu: các dấu vết trên tuyết cho bạn biết rằng một con vật chắc chắn đã đi qua. Mùi thịt xông khói vào buổi sáng hứa hẹn sự ngon miệng cho bữa sáng, ngay cả khi bạn vẫn còn trên giường và chưa thể nhìn thấy nó. Và nếu bạn nhìn ra bên ngoài và thấy những vũng nước bắn tung tóe trên đường phố, bạn biết đó là mưa, ngay cả khi những giọt nước rơi xuống quá nhỏ để có thể nhìn ra được. Đây là một chút về cách nó xảy ra với vật chất tối: Người ta không thể nhìn thấy nó trực tiếp, nhưng có một số dấu hiệu cho thấy một thứ gì đó phải có trong vũ trụ, ngay cả khi nó vô hình.
Vật chất còn thiếu: Vũ trụ nặng hơn nhiều so với vẻ bề ngoài
Các nhà vật lý đã nhận ra rằng có điều gì đó không ổn, lần đầu tiên họ bắt đầu cân vũ trụ một cách nghiêm túc. Rõ ràng, họ đã không mang theo một cái cân lớn để làm điều đó. Thay vào đó, họ suy ra sự phân bố của vật chất bên trong và bên ngoài thiên hà của chúng ta, bằng cách nhìn vào cái gọi là hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Hình ảnh của các thiên hà ở xa có vẻ bị bóp méo, bởi vì tất cả các thiên hà và lỗ đen khác giữa chúng ta và họ. Những đường cong này làm cong không gian và thời gian, và do đó làm cong đường đi của tia sáng. Vì vậy, các thiên hà ở xa càng bị bóp méo xuất hiện, càng có nhiều khối lượng trong vũ trụ, và càng có nhiều vật chất hơn. Khi tổng hàm lượng vật chất trong vũ trụ được ước tính theo cách đó, nó khác xa so với những gì người ta mong đợi từ số lượng các ngôi sao và thiên hà mà người ta có thể thực sự nhìn thấy. Ngay cả khi người ta đã tính đến tất cả bụi và khí bên trong và giữa các thiên hà, vẫn còn thiếu rất nhiều khối lượng: Không-thời gian rõ ràng là cong hơn rất nhiều so với dự kiến. Chà, bây giờ người ta có thể đoán rằng phải có rất nhiều loại vật chất, khá lớn và do đó không gian và thời gian bị cong, nhưng không thể nhìn thấy bằng mắt thường, hoặc bất kỳ cách nào khác để phát hiện bức xạ điện từ. Trên thực tế, nó không thể tương tác bởi bất kỳ lực nào khác ngoại trừ lực hấp dẫn, vì vậy nó cũng sẽ phải hoàn toàn biết được - người ta thậm chí không thể chạm vào nó. Nhưng cũng có thể không phải là người ta đã phạm một số sai lầm khi ước lượng vấn đề nên có? Có thể các phương trình cho thấu kính hấp dẫn không đúng? Về mặt lý thuyết, điều đó có thể thực hiện được. Tuy nhiên, có những dấu hiệu khác, một cách độc lập, cho thấy rằng phải có nhiều vật chất trong vũ trụ hơn người ta có thể nhìn thấy.
Một dấu hiệu như vậy là các vùng bên ngoài của các thiên hà quay nhanh hơn nhiều so với thực tế. Các thiên hà, bất kể là hình elip, không đều, hay có các nhánh xoắn ốc, đều quay như băng chuyền. Nếu khối lượng nhìn thấy mà chúng chứa là bất cứ thứ gì để đi qua, thì các ngôi sao ở xa tâm của chúng hơn sẽ chậm hơn nhiều so với những ngôi sao ở gần hơn. Các thiên hà sẽ quay rất nhiều, chẳng hạn như hệ mặt trời của chúng ta: Các hành tinh bên ngoài như Sao Thổ và Sao Mộc chậm hơn nhiều và cần nhiều thời gian hơn để quay quanh mặt trời so với các hành tinh ở phía trong, chẳng hạn như Sao Thủy hoặc Trái Đất.
Các phần ở rìa di chuyển với cùng tốc độ với các vùng lõi. Nó giống như thể có một lượng lớn khối lượng vô hình đang kéo các nhánh xoắn ốc bên ngoài của các thiên hà cùng với nó, bằng cách kéo chúng bằng lực hấp dẫn. Danh sách các dấu hiệu gián tiếp này tiếp tục: Ví dụ, cách toàn bộ vật chất hữu hình được sắp xếp trong vũ trụ là rất khó giải thích, nếu không có một lượng lớn vật chất vô hình. Nói một cách đơn giản, nếu chỉ có vật chất bình thường trong vũ trụ, nó sẽ không có đủ thời gian kể từ Vụ nổ lớn để tự sắp xếp theo mô hình mà chúng ta thấy ngày nay. Thay vào đó, cách thức ngày nay tập hợp lại với nhau nhiều hơn so với lẽ phải. Một lực hấp dẫn bổ sung lớn bởi một số vật chất bổ sung - vô hình - có thể giải thích cấu trúc này.
Cho đến ngày nay, lời giải thích duy nhất cho tất cả những hiện tượng này là có một loại vật chất kỳ lạ, chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn, chứ không tương tác (hoặc chỉ rất yếu) với các lực khác. Loại vật chất giả định này được gọi là vật chất tối, mặc dù dù nó là gì đi nữa thì nó không phải là vật chất tối mà là trong suốt. Vật chất tối dường như cũng có thể đi qua chính nó và các loại vật chất khác (chỉ là một cách nói khác rằng nó không tương tác thông qua lực điện từ). Ví dụ tốt nhất cho điều này là cái gọi là Bullet Cluster: nó là hình ảnh của hai cụm thiên hà va chạm. Từ hiệu ứng thấu kính hấp dẫn với tất cả các vật chất trong nền, người ta có thể suy ra sự phân bố khối lượng. Khối tâm nằm ở một vị trí hoàn toàn khác với tâm của chất bức xạ. Nó giống như thể vật chất bình thường trong hai cụm thiên hà đang va chạm, trong khi vật chất tối xung quanh nó vẫn tiếp tục trên đường đi của nó, di chuyển không bị xáo trộn
