这是一个巨大的宇宙迷团，一度看似即将揭开谜底，但现在看来这个迷团是越来越深，天文学家和天体物理学家们也比以往任何时候都更加困惑不解。问题的关键在于，宇宙中绝大多数的物质似乎消失不见了。——威廉·布罗德

遥望宇宙，我们会理所当然的认为，我们所看到的一切，包括：行星、恒星、星系，以及巨大的星际空间中的所有物质，跟我们平时在地球上看到的东西是一样的，都是由质子、中子和电子组成。这个想法在我们看来很符合逻辑。

毕竟，我们的地球就存在太阳系中，太阳系只是银河系中一个普通的恒星系统，而银河系也不过是宇宙中众多星系中的一员。宇宙中应该不存在什么我们未知的物质形式。

就算在宇宙的其他地方存在我们地球上没有的物质，我们仍然会认为它们很可能是由目前已知的、或者已发现的基本粒子组成。

因为目前基本粒子的标准模型，已经完全涵盖了所有已知的物质形式。这其中还包括在实验室环境中被创造、测量或观察到的粒子。目前所有的已知的基本粒子都包含在下面的图表中：

然而，事实并非如此。目前物理学家们一致认为，“已知的”物质，或由标准模型中包含的所有粒子和反粒子组成的物质，只占了宇宙质量的极小一部分。

是什么使我们得出了这样的结论？下面就是关于宇宙中物质成分的7个基本事实，这些事实使我们得出一个不可避免的结论：宇宙中绝大多数的物质不在标准模型的范围内，也就是说，大部分物质不是由质子、中子和电子组成的，而是由某种必须存在的暗物质粒子组成。

我们已经测量出了宇宙中正常物质的量！

有两种方法来解决这个问题：

测量和量化宇宙中所有不同形式的普通物质，并把得出来的数加起来。
测量早期宇宙中形成的物质总量

第一种方法比较直接，就是探查现今宇宙中所有已知的物质形式，不仅包括行星和恒星，还包括所有我们可以想到的物质形式，包括气体、尘埃、等离子体、自由电子、白矮星、褐矮星、中子星、黑洞、反物质和中微子。把它们都加起来，就会得到一个正常物质的量。

但是，还有第二种方法可以补缺查漏，防止某种物质以迄今未被发现的形式隐藏起来。

我们知道宇宙是从高温、高密的状态中诞生的，在诞生的过程中会经历第一次形成原子核的时期。在宇宙中的第一批恒星形成之前，我们都可以找到中性气体的原始样本，并测量出各种元素的比例。根据已知的物理学定律，我们就可以预测出宇宙诞生是创造出了多少氢、氘、氦-3、氦-4和锂-7。这是五个独立的、可测量的量就是：宇宙中正常物质的量。

根据测量这五种物质，我们知道，正常物质只占宇宙中所有能量的5%。

星系团想要紧密的结合在一起，就需要某种未知形式的物质。

当我们观察宇宙中一些最大的束缚结构星系团的时候，我们发现它们包含数百到数千个单独的星系，所有这些星系都束缚在一个相对紧凑的空间区域内。根据每个星系的移动速度和已知的引力定律，我们可以推断出要保持星系团紧密的结合在一起需要多少总质量。

我们还可以根据所观察到的所有物质，包括星光、气体、尘埃、等离子体、气体受热时的x射线等等，推断出其中有多少正常物质。但这些正常物质只能解释13-17%的质量。因此星系团中必须有某种形式的暗物质。

单个星系必须存在比气体和尘埃更多的物质，来解释我们所观察到的动力学现象。

一个螺旋星系最典型的特征是，它们在旋转，正是这种旋转产生了我们所熟知的经典螺旋结构。当一个星系侧面朝向我们的时候，向我们靠近的部分的星光就会发生蓝移，远离我们的部分的星光就会发生红移。

根据星光的红蓝变化，我们可以测量出一个星系离中心不同距离的旋转速度。根据已知的物理定律：星系的大部分物质都应该集中在中心，外围物质比内部物质的旋转速度更慢。但实际的情况并不是这样，这种单个星系旋转曲线的异常导致了我们认为：即每个星系周围一定有一个暗物质“晕”来解释所观察到的旋转曲线。

引力透镜可以测量星系、星系团的总质量

当我们观察宇宙时，我们不仅仅可以通过测量来自星系或星系团的光来推断质量信息。根据爱因斯坦的广义相对论，我们还有一种难以置信的测量质量的机制：质量本身就像一个透镜一样，它可以弯曲后面物体的所有光线，这种现象被称为引力透镜。这可以以强透镜的形式出现，上图显示了巨大的环状、弧形和多重图像，下图显示了弱引力透镜的形式，并且扭曲了背景星系的形状。

我们可以通过测量其中一种或两种效果，只要有足够的背景光通过质量源，就可以推断出透镜（前景）物体中有多少质量。通过引力透镜我们测量出的“总质量”，大约是正常物质质量的六倍。

宇宙大规模的聚集形式需要暗物质来重现我们观测到的结构。

当我们在大尺度上绘制出宇宙中最精确的星系地图时，我们发现一定有某种不同于普通物质的物质（质子、中子和电子）来重现我们在最大尺度上看到的结构。特别是，暗物质形成了一个层次分明的宇宙网络，其中有微小的矮星系，有各种大小的螺旋星系，有包括大螺旋星系的星系群，有包括螺旋星系和巨大椭圆星系的星系团，连接星系团的细丝，以及在星系团之间物质很少的巨大宇宙空洞。

如果没有暗物质，我们看到的宇宙结构将会非常非常不同。

首先，如果没有暗物质，大规模结构中会有一个截止点，也就是说不会形成太大的物质结构；小的物质结构也会存在一个最低限制。也就是说不会形成矮星系或者一些小型的物质结构。

宇宙微波背景（CMB）的波动。

当我们观察宇宙大爆炸（CMB）的余辉时，我们发现微波辐射中波动聚集的方式有一个非常特殊的模式。虽然波动在所有尺度上开始都是一样的，但辐射和物质之间的相互作用会产生一种“波”，类似于在特定尺度下水体的涟漪。如果有暗物质的存在，它会通过引力影响辐射和普通物质，但不像普通物质与自身或辐射那样发生相互作用。

当我们重建了这种波动模式时，就会发现发现这种波动模式只与由5%的正常物质、27%的暗物质和68%的暗能量组成的宇宙一致。我们再次看到，暗物质与正常物质的比例是5:1。

碰撞的星系团表明，大引力区域并不与大多数物质所在的地方重合。

最后，最直接的非凡证据来自两个碰撞的星系团。在宇宙中，两个巨大的星系团时常会引力的作用下相互碰撞，星系团中的恒星会彼此互相穿过，不容易发生碰撞，但内部弥漫的中性气体与另一个星系团的气体就会发生碰撞。在这种情况下，气体升温和减速，聚集在中心并发射x射线（粉红色）。但是当我们使用弱引力透镜来重建两个碰撞星系团的大质量位置时（用蓝色表示），我们发现它和恒星一起穿过彼此。