此答案由弗吉尼亞州拉德福德的拉德福德大學的物理學家雷特·赫爾曼和蒙大拿州博茲曼的蒙大拿州立大學的肖恩·L·拉爾森提供。
暗物質正如其名稱所暗示的那樣；它是宇宙中我們無法使用任何望遠鏡直接看到的物質（或質量）。我們的望遠鏡不僅可以看到可見輻射（構成我們自己眼睛可以檢測到的顏色光譜），還可以看到其他型別的輻射。
圖片：皇家格林威治天文臺
隱藏的質量。 光學望遠鏡只能看到這張合成影像中明亮的星系。但 ROSAT 衛星顯示，它們周圍環繞著一層發出 X 射線的熱氣體雲。這種氣體解釋了光學影像無法解釋的星系旋轉效應。 |
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暗物質不會透過發射任何型別的電磁輻射來顯示其存在。它不發射紅外輻射，也不發出無線電波、紫外線輻射、X 射線或伽馬射線。它真的是“黑暗的”。宇宙學家認為我們只能看到宇宙中約 10% 的物質。在他們能夠準確確定宇宙的質量之前，他們不會確定它是在無限膨脹還是會在某個時刻停止膨脹並坍縮。
那麼，我們如何才能自信地說我們知道暗物質存在？暗物質向我們顯示其存在的方式是透過它對宇宙中發光物質產生的引力效應。（“發光”物質是我們可以用望遠鏡看到的物質。）觀察星系的旋轉時，可以觀察到暗物質引力效應最明顯的例子。
為了研究星系自轉，天文學家會觀察星系每個部分中恆星的發射線光譜。當使用衍射光柵或稜鏡觀察來自恆星的光時，星光會分解成其真實顏色，這與普通陽光分解成被稱為可見光譜的全綵虹的方式非常相似。
構成星光的真實顏色會在可見光譜中分離成一系列明暗線，每條彩色線對應於特定波長的光。這些線出現的特定波長是恆星所含元素的特徵。因此，它們可以用作元素的“指紋”來識別恆星的成分。
當一顆發射這些線光譜的恆星遠離我們時，所有譜線的波長都會移動到比恆星靜止或側向移動（既不朝向我們也不遠離我們）時更高的值。因此，所有譜線都向光譜的長波長部分移動，或者向光譜的紅色端移動。
這種線移動（稱為多普勒頻移）向可見光譜的紅色端移動是術語“紅移”的來源。當一顆恆星的一部分朝向我們移動時，譜線會移動到較短的波長，或“藍移”，向光譜的藍色端移動。透過測量波長的偏移，研究人員可以計算出恆星朝向我們或遠離我們的精確速度。
當星系旋轉時，星系朝向一側的恆星的星光會發生藍移，而星系另一側的恆星的星光會發生紅移。因此，我們可以知道星系中每顆恆星繞星系中心軌道執行的速度和方向。
當恆星繞星系中心執行時，它們的軌道速度由星系內包含的質量分佈決定。顯示恆星軌道速度與它們距星系中心距離的圖表稱為星系中恆星的“自轉曲線”。
如果取星系中所有可以看到的發光物質（恆星、氣體和塵埃），並使用牛頓發現的眾所周知的引力物理定律預測自轉曲線，那麼恆星的速度應該以可預測的方式隨著它們離星系中心越遠而減小。
然而，觀察星系的自轉曲線，天文學家發現自轉速度並沒有像預期的那樣隨著距離的增加而下降。相反，曲線趨於平緩，遠離星系中心的恆星移動速度比預期的快。解釋這種現象的唯一方法是星系中存在大量無法看到的物質——暗物質。為了解釋天文觀測結果，這種暗物質必須以稱為星系暈的大型球形分佈環繞星系。
暗物質的理論候選者分為兩組，稱為 MACHO 和 WIMP。MACHO（大質量天體緻密暈物件）的存在已透過實驗證實——最近在我們自己的銀河系中。MACHO 的性質和起源目前是一個偉大的推測和爭論的問題，但它們的質量和分佈已透過它們的引力效應進行了測量。MACHO 的候選提案包括原始黑洞，以及一些尚未正確描述其性質的新型外來天體。
平均 MACHO 的質量似乎約為我們太陽的一半。但是 MACHO 的數量雖然很大，但似乎仍然太少，無法解釋星系暈中懷疑存在的所有暗物質。這一事實促使天體物理學家推測其他可能的暗物質形式，例如 WIMP。
WIMP（弱相互作用大質量粒子）是外來的、大質量的基本粒子，它們與物質的相互作用不強。（因此它們沒有與我們的探測器相互作用，因此我們尚未檢測到它們）。由於 WIMP 確實具有質量，並且會有大量的 WIMP，它們個體上微弱但集體上強大的引力效應可以解釋暗物質對星系自轉曲線產生的部分影響。
一種可能的暗物質候選者是中微子。剛剛宣佈的在日本使用名為超級神岡的探測器進行的實驗表明，中微子可能確實有質量。宇宙學家已經在重新審查當前被接受的理論。
已知暗物質的存在是透過它對宇宙中可見物質產生的引力效應。隨著我們的天體物理實驗變得更加複雜，我們對大型引力系統（星系和星系團）的理解不斷加深，我們將回答多年來困擾我們的更多問題。
關於暗物質的性質和起源的新問題不斷被提出，確保該領域在未來幾年將是令人興奮的、充滿活力的，並且處於天體物理研究的最前沿。