Mörk materia är en mystisk form av materia som utövar gravitationseffekter på vanlig materia men som inte kan observeras på något annat sätt. Medan konventionella materiamoln kan upptäckas genom sin stjärnaktivitet, ljusspridning, radioemissioner och andra sätt, är mörka materiamoln osynliga för de allra flesta av våra instrument. Ändå utgör de 90% – 99% av materien i universum.
På 30-talet utförde astronomerna Fritz Zwicky och Sinclair Smith en analys av hastigheten för galaxer inom de stora galakthoparna Virgo och Coma. De upptäckte att alla galaxer rörde sig mellan tio och hundra gånger snabbare än de borde vara, givet uppskattningarna baserade på observerad stjärndensitet. Något osynligt genererade ytterligare gravitation.
Även om Zwicky och Smiths första observationer verkade ge starka bevis för mörk materia, var inte alla kosmologer övertygade. Eftersom dessa galaktiska hopar var så långt borta var det svårt att exakt mäta de oberoende hastigheterna för varje galax på en tidsskala av bara decennier. Starkare bevis kom på 70-talet när forskare som Rubin, Freeman och Peebles började analysera rotationskurvorna för galaxer. Stjärnor i spiralgalaxer, som vår egen, rörde sig snabbare runt den galaktiska kärnan än vad deras observerbara massa skulle indikera.
Det upptäcktes så småningom att alla galaxer innehåller mörk materia halos som sträcker sig långt bortom gränserna för galaxen som indikeras genom ett teleskop. Dessa halos sägs bestå av MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) och WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). MACHOs är teoretiserade att mestadels vara svarta hål och bruna dvärgar (utbrända stjärnor). De är uppbyggda av konventionell eller baryonisk materia – atomerna vi känner till, endast högt komprimerade. WIMPs sägs vara icke-baryoniska former av materia, svagt interagerande partiklar som rör sig med relativistiska hastigheter. Den mest troliga kandidaten för WIMPs är neutrinon och dess kusiner.