暗物質是一種理論上存在的物質，與普通物質不同，暗物質無法被直接觀測到。但是看不到，不代表它們不存在。事實上，我們平時所見的物質只佔宇宙的5%，而暗物質佔比達到27%（另外68%是暗能量）。那麼，既然暗物質無法直接觀測到，天文學家又是如何推測出它們的存在呢？

關於暗物質存在的最主要證據來自星系自轉曲線異常。首先，恆星都是繞著各自星系的中心公轉，隨著恆星與星系中心距離的增加，恆星的公轉速度越來越慢。因為星系的大部分可見物質都集中於星系的中心附近，所以天文學家認為星系中心附近恆星的公轉速度要遠快於星系邊緣的恆星。這樣的運動方式與我們的太陽系相類似，在八大行星中，水星是距離太陽最近的行星，它的公轉速度最快，達到47.9 km/s。相比之下，距離太陽最遠的行星——海王星，其公轉速度僅為5.4 km/s。

然而，大量的天文觀測表明，絕大多數星系中的恆星公轉速度相差不大，星系邊緣恆星與星系中心恆星的公轉速度大致相同。因此，天文學家認為，宇宙中還存在不可見的暗物質，儘管它們不與普通物質產生電磁作用，但它們能產生很強的引力作用，這樣可以彌補“缺失的引力”。

此外，天文學家發現橢圓星系需要比可見物質更多的質量才能穩定存在，這是暗物質存在的另一個證據。在宇宙中，很多星系會聚集在一起形成星系團，如果沒有暗物質的存在，它們將會彼此分開。

當然，還有一種可能是暗物質或許根本不存在，而是當前的引力模型還不夠精確，無法適用於更大的天文尺度。目前，相應的暗物質替代理論主要包括修正牛頓引力理論和量子引力理論。最終結果如何，還需更進一步的觀測。

「暗物質」（dark matter）是一種看不見的物質。當物體之間存在電磁相互作用時，我們總可以透過電磁波來探測這種相互作用，例如我們的「觀察」就是透過「光」這樣一種特殊的電磁波來進行的。如果存在著某種物質，它們之間不存在電磁相互作用，我們就不能用電磁波來探測這樣的物質，通俗一點來說，就是我們「看不到」這樣的物質。這種看不見的物質即為暗物質。

暗物質並不是一種「黑暗」的物質，因為如果顏色漆黑，那麼這樣的物體會不斷吸收外界的輻射，我們也就有了用電磁波探測它的方法。所以準確地說，暗物質是一種看不見的物質，它更像是物質世界的「小透明」。可這種看不見的小透明，為什麼物理學家知道它們還在那呢？這是因為引力的作用。天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）最早觀察到了暗物質存在的證據，她在 20 世紀 60 年代時，對仙女座中的恆星們繞著星系中心的執行速度（線速度）進行了測量。測量的結果卻匪夷所思。理論上來說，根據能量守恆定律，越是靠近星系的中心，重力勢能轉化為動能，恆星的執行速度應該越快，可薇拉等人的實驗結果卻表明，對於星系中的恆星而言，隨著距離星系中心的距離增加，其線速度幾乎不變。薇拉等人後來還觀測了大量其它星系中恆星的運動，結果都非常類似。這種奇怪的結果說明要不是引力出現了問題，要不就是在空間中還存在大量具有質量但無法「看不見」的暗物質。

物理學家目前仍然不清楚暗物質到底是由怎樣的粒子所構成。一種觀點認為，暗物質就是那些暈族大質量緻密天體（MACHOs: MAssive Compact Halo Objects），這些緻密的天體跟我們熟悉的物質世界沒有什麼組成成分上的差別，MACHOs 可能是黑洞、中子星、褐矮星甚至大質量的孤立行星等，但更多的觀測表面這樣的解釋是非常不充分的，這類物質不足以解釋多餘的質量。因此，物理學家們轉而開始關注那些與我們常見的普通物質的構成不同的那些物質。理論上預言存在著這樣一種大質量弱相互作用粒子（WIMP：Weakly Interacting Massive Particle），顧名思義，WIMP 的質量較大，不但可能有引力的相互作用，還具有弱相互作用。很多物理學家就認為，WIMP 就存在於我們周圍，只是我們從來沒有被探測到過。

通俗地說，暗物質就是看不到的物質。當然並不是所有看不到的物質都是暗物質。嚴格地說，暗物質是不與電磁力反生相互作用的不能直接透過光學測量看到的物質。我們之所以能夠發現它是由於其引力作用。

目前估計的資料表明宇宙中的可見的常規物質可能只佔5%，而暗物質可能佔到了27%作用。剩下的68%可能由一種叫做暗能量的成分組成。

暗物質最早的證據是星系的自轉運動曲線。美國女天文學家薇拉·魯賓觀測星系轉速時，發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快，故推測是有數量龐大的質能拉住星系外側組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系。在1980年魯賓和同事將其結果發表了一篇有影響力的論文。首次把這種看不見的物質稱為“暗物質”。

2006年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-558進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的直接證據。

實驗上雖然已經確定了暗物質的存在。但對暗物質的具體組成成分我們仍然知之甚少。最初的理論猜測是黑洞，中子星，晚年白矮星這類相對來說還算比較傳統的重子物質。但很快觀察證明這樣的物質只佔了暗物質的一小部分。大量天文學觀測證明大約85%-90%的暗物質不參與電磁相互作用。而不參與電磁作用的物質中，最熱門的候選者叫做大質量弱相互作用粒子，這種粒子與普通物質的相互作用很弱，所以從未被探測到過。另一個比較熱門的候選者是超對稱理論中的軸子。另外一些科學家也認為惰性中微子存在不小的可能。

為了證明這些猜想，我們只能對暗物質做更直接的測量。這種測量非常困難。因為暗物質與普通物質作用很微弱，同時觀測比較遮蔽宇宙射線的干擾。所以一般暗物質觀測實驗室都建在非常深的地下。這這些實驗室中，中國四川的錦屏極深地下暗物質實驗室是目前全球實驗條件最好的暗物質觀測實驗室。