對暗物質(zhì)的早期猜測
暗物質(zhì)存在的最早證據(jù)，在1930年代為荷蘭科學(xué)家簡?奧特（Jan Oort）所發(fā)現(xiàn)。當(dāng)研究近臨星系中恒星在星系平面附近運(yùn)行時，奧特計算出了恒星運(yùn)行的速度。據(jù)觀察，恒星能夠繞著星系運(yùn)行而不離開星系，他推斷，星系周圍一定有足夠的物質(zhì)施加引力，將星體約束住，就像太陽將各大行星約束在太陽系中各自的軌道上。
奧特?fù)?jù)此推算，星系的總質(zhì)量必須有能觀察到的物質(zhì)的3倍之多。他并沒有提出暗物質(zhì)的概念，但他認(rèn)為，更精確的測量會消除這一矛盾。

1933年，據(jù)瑞士天文學(xué)家弗利茲?茨維奇（Fritz Zwicky）研究，以冒號星系團(tuán)中7個星系組成的一個小星系組的運(yùn)行速度，用牛頓定律算出了星系團(tuán)的「動力學(xué)質(zhì)量」，然后和根據(jù)星系的發(fā)光強(qiáng)度推算出的星系團(tuán)質(zhì)量（發(fā)光質(zhì)量）相比，他驚訝的發(fā)現(xiàn)，動力學(xué)質(zhì)量竟是發(fā)光質(zhì)量的400倍！
科學(xué)家一般認(rèn)為，動力學(xué)質(zhì)量比發(fā)光質(zhì)量更加可靠，因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)之間都有引力作用。但發(fā)光質(zhì)量則不同，其推算需要一系列假設(shè)。但當(dāng)茨維奇宣布這一結(jié)果時，卻由于他性格強(qiáng)硬、人緣不好，遭到了廣泛的質(zhì)疑和批評。

1936年，辛克萊爾?史密斯（Sinclair Smith）發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象，計算出的室女座星系團(tuán)的動力學(xué)質(zhì)量，比埃丁文?哈勃（Edwin Hubble）估計的發(fā)光質(zhì)量大200倍。但當(dāng)時很多天文學(xué)家認(rèn)為，星系團(tuán)不是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，觀察到的快速運(yùn)動并不能證明暗物質(zhì)的存在，加上當(dāng)時宇宙膨脹才發(fā)現(xiàn)不久，暗物質(zhì)的問題就逐漸被淡忘了。

暗物質(zhì)再次受重視
一晃幾十年過去了，直到1970年，暗物質(zhì)的問題才重新被提出來。在對螺旋狀星系仙女座星系星體運(yùn)動的研究中，美國天文學(xué)家伏拉?魯賓（Vera Rubin）得到了星系旋轉(zhuǎn)曲線，用以描繪星體運(yùn)動速度隨距離星系中心的變化。從旋轉(zhuǎn)曲線，可以推算出星系中的質(zhì)量分布。
比如，我們只要知道太陽系中某個行星的旋轉(zhuǎn)速度和它到太陽的距離，就可以算出太陽的質(zhì)量，當(dāng)然星系中的質(zhì)量分布要復(fù)雜些。如果星系質(zhì)量是按照發(fā)光質(zhì)量分布，旋轉(zhuǎn)曲線應(yīng)該在距離星系中心約1萬光年達(dá)到最大，然后減小。
所以處于星系邊緣的星體的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該隨著距離的增大而減小。太陽系中的行星旋轉(zhuǎn)也類似，離太陽越近的行星旋轉(zhuǎn)越快，離太陽越遠(yuǎn)的行星轉(zhuǎn)速越小。地球繞太陽公轉(zhuǎn)速度約為每秒30公里，而距離太陽更遠(yuǎn)的土星轉(zhuǎn)速只有約地球的三份之一。
但是魯賓發(fā)現(xiàn)仙女座星系的星體似乎轉(zhuǎn)得太快了，其它的螺旋星系也發(fā)現(xiàn)了類似的情況，旋轉(zhuǎn)曲線是平坦的，也就是說，速度并沒有像預(yù)期那樣隨著距離的增大而減小。上個世紀(jì)80年代的許多測量也都證實(shí)了魯賓的結(jié)論。
魯賓的觀測結(jié)果提出了一個尖銳的問題。一個可能的解釋是，存在龐大的不可見的物質(zhì)暈環(huán)圍繞著星系，不可見物質(zhì)的總質(zhì)量高達(dá)星系總質(zhì)量的90%以上。所以，星系中所有的星體都處在暗物質(zhì)的包圍中，幾乎都處在包括暗物質(zhì)的星系的中心，沒有處在星系中速度應(yīng)該衰減的區(qū)域。研究表明，星系中的暗物質(zhì)暈環(huán)一直延伸到距離星系中心15萬光年的地方。
另外，在超級星系團(tuán)中，也發(fā)現(xiàn)了類似的想象。發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)質(zhì)量是常規(guī)的發(fā)光物質(zhì)的300倍。至此，科學(xué)家們普遍相信暗物質(zhì)的確存在。但是暗物質(zhì)到底占了星系總質(zhì)量的多少，還沒有一個令人信服的數(shù)字。
現(xiàn)代天文學(xué)對暗物質(zhì)的研究
從上個世紀(jì)90年代到本世紀(jì)初，美國太空總署（NASA）先后發(fā)射了幾個太空望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)成為科學(xué)家研究太空的有力工具。

2001年9月6日，英國劍橋大學(xué)的一個科研小組公布了關(guān)于暗物質(zhì)的研究結(jié)果。他們利用美國太空總署（NASA）錢德勒X射線觀測站（Chandra X-ray Observatory）測量了5個分別在15億和40億光年以外的星系團(tuán)的質(zhì)量，并且將探測其結(jié)果與星系團(tuán)應(yīng)該具有的質(zhì)量進(jìn)行了比較。
他們發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中，所有恒星和高溫氣體的質(zhì)量總和占星系團(tuán)真正質(zhì)量的13%。因?yàn)樾窍祱F(tuán)是構(gòu)成宇宙的主要部份，所以天文學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)占整個宇宙的87%左右。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在大尺度上，宇宙中物質(zhì)的分布就像一個巨大的纖維網(wǎng)，質(zhì)量分布密度大的地方是網(wǎng)絲，而星系就分布在纖維的節(jié)點(diǎn)上。在宇宙大尺度上，暗物質(zhì)和常規(guī)物質(zhì)有著同樣的分布規(guī)律：它們被嵌入幾乎是一模一樣的「纖維網(wǎng)」中。

2006年8月21日，據(jù)NASA錢德勒望遠(yuǎn)鏡新聞中心報導(dǎo)，科學(xué)家在兩個大星系團(tuán)的巨大碰撞中，首次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)?？茖W(xué)家用錢德勒望遠(yuǎn)鏡、歐洲南方天文臺的超大型望遠(yuǎn)鏡、麥哲倫光學(xué)望遠(yuǎn)鏡以及哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，觀測了這次發(fā)生在子彈星團(tuán)的碰撞。
錢德勒望遠(yuǎn)鏡用于測量高溫氣體發(fā)出的X射線，所以可以推算出星系團(tuán)的常規(guī)物質(zhì)質(zhì)量。而其它望遠(yuǎn)鏡則通過引力透鏡效應(yīng)（光線經(jīng)過星系附近時，會受到星系吸引而發(fā)生偏折，類似透鏡對光的偏折作用）測量星系團(tuán)的總質(zhì)量，從而推算出碰撞星系團(tuán)中的暗物質(zhì)分布。
研究發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)的熱氣體在碰撞后發(fā)生了分離?？茖W(xué)家解釋，這是因?yàn)闊釟怏w在碰撞時，受到黏滯阻力而變慢，而暗物質(zhì)和暗物質(zhì)以及熱氣體之間，只有引力作用，沒有受到阻力，從而使得兩種物質(zhì)分離開。如果沒有暗物質(zhì)，則這種分離很難解釋?？茖W(xué)家認(rèn)為，這是暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。
暗物質(zhì)分布是通過引力透鏡效應(yīng)推算出來的。研究表明，宇宙中的物質(zhì)不是均勻分布，而是分布在海綿狀的巨大纖維結(jié)構(gòu)中。得到的結(jié)果和常規(guī)物質(zhì)的分布對比表明，常規(guī)物質(zhì)匯聚在暗物質(zhì)分布集中的區(qū)域。
科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)在宇宙早期的演化過程中，對星系中的常規(guī)物質(zhì)聚集成為星系結(jié)構(gòu)，起著至關(guān)重要的作用，可以說，暗物質(zhì)是建造宇宙的腳手架，而星體和星系則在暗物質(zhì)的架構(gòu)中匯集成形。如果沒有暗物質(zhì)的存在，宇宙中就沒有足夠的質(zhì)量，使得物質(zhì)聚集成形和形成星系。詳見前文（暗物質(zhì)分布圖繪制宇宙學(xué)偉大成就）。
科學(xué)家提出了各種各樣關(guān)于暗物質(zhì)的猜想，但是還沒有一個理論得到令人信服的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，可以說，暗物質(zhì)這個「另外的世界」的真實(shí)面目至今還是個謎。