暗物質是宇宙中最神祕但又無所不在的物質之一。雖然像人類、地球、太陽和在太空中發射或吸收光的一切事物都是由正常物質構成的——包括質子、中子和電子等粒子——它們只佔宇宙中所有品質的六分之一。剩下的六分之五，絕大多數是暗物質。
圖注：拉尼亞凱亞（Laniakea）超星系團的視覺化表示代表了超過100,000個估計星系的集合，這些星系的體積超過1億光年，顯示了暗物質（陰影紫色）和單個星系（亮橙色/黃色）的分佈。 儘管最近才將拉尼亞凱亞（Laniakea）識別為包含銀河系以及更多內容的超級星系團，但它並不是引力的結構，隨著宇宙的不斷擴充套件，它不會融合在一起。我們認為暗物質是確實存在，甚至通過觀察暗物質如何影響我們可以觀察到的物質和光來推斷其一些特性，特別是在大型天體物理環境中。但是，暗物質迄今未能直接發現，這意味著其許多特性仍然是懸而未決的問題。以下是我們所知的關於暗物質的五件事，還有五件我們沒有了解的東西，因為我們已經到了探索科學前沿的極限。
圖注：歐米茄星雲的核心被離子化氣體，明亮的新藍色，大品質恆星以及阻擋背景光的前景塵埃帶所突出。如果正常物質能夠以氣體，灰塵，等離子體，黑洞或其他非發光源的形式出現，則許多人希望它可以對所有“缺失物質”負責，而無需暗物質。但是，觀察表明並非如此。關於暗物質五個所知事實
1.） 暗物質不僅僅是我們無法檢測到的正常物質，這是眾所周知的。暗物質不能是：
小行星或彗星，籃球大小的普通物質團，電化等離子體，黑洞，或任何從正常物質中製造的東西。我們有一系列證據排除了這種可能性。
根據我們探測到的最早、最原始的氣體雲，我們可以測量宇宙在大爆炸後不久誕生的氫、鈾、氦-3、氦-4和鋰-7。這些測量值精確確定宇宙誕生的法態物質數量，而該值僅為總品質所需量的六分之一。因此，剩下的六分之五必須完全是別的東西：暗物質。
圖注：在冷，暖和熱的暗物質宇宙中，自上而下顯示了在宇宙中形成的暗物質結構（左）和由此產生的可見星系結構（右）。 根據我們的觀察，至少98％以上的暗物質必須是冷的或暖的； 排除高溫。2.） 暗物質在自然界中必須是冷的。
從理論上講，無論什麼（迄今未發現）粒子對暗物質負責，這些粒子可能都不具有品質，而且相對於光速而言，要麼比光速慢，要麼比光速快，或根本不移動。但是，如果暗物質快於光速移動，其特性將抑制小尺度上結構的形成，導致結構與我們可以觀察到的結構不同。
尤其是，我們有三個觀測證據可限制暗物質的溫度：四倍透鏡類星體的引力透鏡，對遙遠物體的視線吸收特徵以及星系附近的潮汐流。所有這三個都教導我們同一件事：暗物質必須很重，或者出生時移動緩慢。換句話說，即使在宇宙的早期，暗物質也必須是“冷的”，而不是熱的或暖的。
圖注：液氙合作組(XENON collaboration)的自旋依賴性和自旋依賴性結果表明，沒有證據表明存在任何品質的新粒子，包括與Atomki異常相適應的淺暗物質場景，或與DAMA / LIBRA一致的適度較重的暗物質，必須先明確地檢測到新粒子，然後再將其視為“真實”粒子。3.） 暗物質不能與自身、光線或正常物質有太大的相互作用。
毫無疑問，如果暗物質存在，在年輕的宇宙中一定有創造它的途徑。然而，無論這個途徑是什麼，這些互動作用都不會再發生，並且在很長一段時間內都沒有發生過。
直接檢測實驗並未發現暗物質，從而限制了我們詳細對其了解。它不會吸收或模糊遠處的星光，從而限制了它與光的互動。 它不會消滅超過一定閾值的自身，否則會在星系中心看到較大且瀰漫的伽馬射線訊號。 實際上，完全不通過任何這些機制進行互動都是100％一致的。 如果我們希望直接檢測到它，我們將不得不進一步提高這些限制，即使這樣，也不能保證訊號是肯定的。 暗物質可能根本不會以這些方式相互作用。
圖注：整個矮星系Segue 1和Segue 3中僅存在約1000顆恆星，其引力品質為600,000太陽。環繞矮星Segue 1的恆星在這裡盤旋。如果新的研究正確，那麼暗物質將服從不同的分佈，這取決於整個星系歷史上恆星形成是如何加熱了它。暗物質與正常物質之比超過600：1，是在暗物質偏愛方向上有史以來最大的比率。4.） 平均而言，在所有最小的星系中，暗物質的影響最為明顯。
這有點違反直覺，但在我們所看到的所有地方，都已通過觀察驗證。根據引力定律，所有形式的物質均受到同等對待。但是其他力，例如核力和電磁力，只會影響正常物質。 當星系中發生大量恆星形成爆發時，所有的輻射都只是穿過暗物質，但是它會與正常物質碰撞並被正常物質吸收。
這意味著，如果您的星系總體品質足夠低，那麼正常的物質可以通過強烈的恆星形成事件來驅逐。 您的星系越小且品質越低，被排出的正常物質的數量就越大，而所有暗物質都會保留下來。在所有星系中最引人注目的例子中，矮星系Segue 1和Segue 3都是銀河系的衛星，它們僅包含幾百顆恆星，但總體上約有60萬太陽品質的物質。 暗物質與正常物質之比約為1000：1，而在大多數大型結構中為5：1。
圖注：四個碰撞的星系團，顯示出X射線（粉紅色）和引力（藍色）之間的分離。5.） 暗物質在普通物質所不存在的地方會引起引力效應。
這是暗物質不能簡單成為正常物質的最有力的證據。當兩個星系組或星團碰撞時，星系間氣體和等離子體碰撞並加熱，發出X射線（以粉紅色表示）。這代表了絕大多數的正常物質，遠遠超過了在恆星和各個星系本身中發現的物質。
但是，從引力透鏡推斷出的品質訊號表明，品質的大部分位於顯示藍色輪廓的位置。 鑑於已經證明了各種各樣的碰撞星團，只有某些新形式的品質遵循與正常物質不同的碰撞定律，這才是正確的。 不可避免的結論是，某種新的物質形式（暗物質）必須構成宇宙品質的絕大部分。
然而，僅僅因為我們知道關於暗物質的這五個事實就意味著我們知道這一切。
圖注：對粒子暗物質的探索促使我們尋找可能與原子核發生反衝的的WIMP。LZ合作組將為所有WIMP核子橫截面提供最佳限制，但是已經排除了由弱力驅動的粒子處於或接近電弱尺度構成100％暗物質的最佳激發方案 。事實上，以下是我們五個不為所知的事情。1.）我們不知道暗物質的粒子是什麼，或者它是不是一個粒子。
我們知道暗物質的存在，它與自身、正常物質或輻射沒有顯著相互作用，而且它是冷的。但是我們不知道它實際上有什麼屬性。暗物質可以是：
大量像軸子一樣冷的低品質粒子，較少數量的重品質粒子（WIMPs），在早期宇宙中誕生，像中性粒，引力相互作用（WIMPzillas）產生的超大規模粒子數量更少，一個由物理學產生的GUT尺度的粒子，我們還沒有完全了解它（例如沉重的右手中微子），甚至滲透到宇宙並具有引力的非粒子狀流體。但是，我們直接檢測暗物質候選粒子或場的所有努力都徒勞無功。我們間接地看到了它的天體物理學效應，這是無可爭辯的，但在粒子大小的尺度上，我們不知道發生了什麼。
圖注：暗物質團塊的存在，型別和性質會影響四鏡頭系統中多個影象之間的特定變化。 現在，我們已經獲得了有關這些系統中八個系統的詳細光譜資料，這一事實允許提取有關暗物質性質的有意義的資訊。2.） 我們不知道"暗物質"組成成分是簡單還是富有。
暗物質，假設它是由粒子構成的，都是由同一種粒子構成的嗎？不管它是否是相同的成分，暗物質粒子是否結合在一起，形成比僅僅分離的粒子更大、更豐富的結構？有沒有暗原子、暗分子，或者更大的純粹由暗物質構成的結構？
我們知道暗物質不會與自身無彈性地碰撞，並失去大量的角動量，但我們只探測過直到幾千光年的暗物質結構。在比那小的尺度上？很顯然，有一個完整的暗物質宇宙在那裡，甚至包括某種暗物質"週期表"，該週期表由多種不同型別的暗粒子相互作用。唯一的限制是，它們這樣做的門檻低於我們已經施加的限制。
圖注：此勢位顯示不穩定的平衡點（橙色球）和較低、穩定的均衡點（藍色），剩餘自由度。如果電位然後向一個方向傾斜，那麼自由度就會被移除，像軸子一樣的粒子會突然從這樣的過渡中獲得品質。3.） 暗物質是否一直存在於宇宙中，還是它後來的某個時候被創造？這是我們知道如何問的最深層次問題之一，我們不知道答案。暗物質可能是所謂的熱遺蹟，其中：
在熱大爆炸的早期階段，各種粒子和反粒子被創造，當宇宙冷卻時，不穩定的宇宙衰敗並消滅，但是，如果其中一個（迄今尚未發現）是穩定的，或者沿著衰變鏈穩定，或者其中有許多幸免於難，可以變成暗物質。這是一直存在的暗物質，因為它是在熱大爆炸一開始就創造的。但還有另一種方法，上面圖強調了這一點：
宇宙冷卻，橙色球滾入下面的山谷，它成為青球，那個球有一定程度的自由，它可以滾動底部，並佔據所有點與同等的可能性，直到有東西來傾斜整個勢位，這畢竟給它一個首選的方向。後一種情況對應於類似軸子的情況，其中這些粒子都獲得較小但非零的靜止品質，並大量脫離量子真空。 暗物質可能並不總是存在，但可能在以後形成：在恆星形成之前和CMB發射之前，但在熾熱大爆炸的早期之後。
圖注：宇宙微波背景（CMB）峰的結構隨宇宙中的變化而變化，宇宙功率譜中存在的峰和谷以及其他大規模結構特徵也會變化。4.） 暗物質是永遠穩定的，還是有一天會衰變掉？
這是我們所擁有的都是約束的另一種情況。 從宇宙微波背景波動中的波谷，我們知道當宇宙只有幾千年的歷史時，暗物質就必須與正常物質以5：1的比例存在。從大尺度結構和星系中心的觀察，我們知道，暗物質與正常物質之比在過去138億年中沒有任何可測量的變化。
但是暗物質的衰變時間可能會比宇宙年齡更長，而且我們尚無法得知。仍然存在著數千億年甚至更長的生命週期，這意味著在將來，甚至在恆星仍在燃燒時，暗物質也可能會衰變成正常物質，反物質或 輻射。直到我們知道其屬性是什麼，這仍然是一個謎。
圖注：當ADMX檢測器從其磁體上移開時，用於冷卻實驗的液氦形成蒸氣。 ADMX是世界上首屈一指的實驗，致力於通過尋找強CP問題的解決方案來尋找潛在的暗物質候選者。5.） 我們的任何直接檢測實驗會找到它嗎？
也許我們快要找到關於暗物質真正是什麼的實驗性線索。但也許不是；也許我們要做是對我們知道如何測量的事物施加約束，例如事件發生率，散射截面以及潛在的粒子屬性和耦合。我們無法知道我們現在正在進行的實驗是否能夠揭示暗物質的性質，而不論其性質是什麼。
我們有可能從各種實驗中隨時得到候選暗物質粒子的宣告，但我們目前尋找暗物質的方式也可能永遠不會有結果。然而，我們不僅知道暗物質存在於天體物理學證據中，而且我們最終發現了大量關於它是什麼、它如何作為以及它不能是什麼的資訊。為了理解我們的宇宙，一件事比其他所有事情都要突出：我們必須對我們所知道的，我們所不知道的和尚不確定的事物持謹慎和誠實的態度。