Η σκοτεινή ύλη είναι μια μυστηριώδης μορφή ύλης που ασκεί βαρυτικά αποτελέσματα στη συνηθισμένη ύλη, αλλά δεν μπορεί να παρατηρηθεί με κανένα άλλο μέσο. Ενώ τα συμβατικά σύννεφα ύλης μπορούν να ανιχνευθούν μέσω της αστρικής τους δραστηριότητας, της σκέδασης φωτός, των ραδιοεκπομπών και άλλων μέσων, τα σύννεφα σκοτεινής ύλης είναι αόρατα στη συντριπτική πλειονότητα των οργάνων μας. Ωστόσο, αποτελούν το 90% – 99% της ύλης στο σύμπαν.
Στη δεκαετία του ’30, οι αστρονόμοι Fritz Zwicky και Sinclair Smith πραγματοποίησαν μια ανάλυση της ταχύτητας των γαλαξιών μέσα στα μεγάλα γαλαξιακά σμήνη Virgo και Coma. Ανακάλυψαν ότι όλοι οι γαλαξίες κινούνταν μεταξύ δέκα και εκατό φορές ταχύτερα από ό,τι θα έπρεπε, δεδομένων των εκτιμήσεων που βασίζονται στην παρατηρούμενη αστρική πυκνότητα. Κάτι αόρατο δημιουργούσε πρόσθετη βαρύτητα.
Αν και οι αρχικές παρατηρήσεις των Zwicky και Smith φαινόταν να παρέχουν ισχυρές αποδείξεις για τη σκοτεινή ύλη, δεν ήταν όλοι οι κοσμολόγοι πεπεισμένοι. Επειδή αυτά τα γαλαξιακά σμήνη ήταν τόσο μακριά, ήταν δύσκολο να μετρηθούν με ακρίβεια οι ανεξάρτητες ταχύτητες κάθε γαλαξία σε μια χρονική κλίμακα μόλις δεκαετιών. Ισχυρότερα στοιχεία ήρθαν στη δεκαετία του ’70 όταν επιστήμονες όπως οι Rubin, Freeman και Peebles άρχισαν να αναλύουν τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών. Τα αστέρια σε σπειροειδείς γαλαξίες, όπως ο δικός μας, κινούνταν πιο γρήγορα γύρω από τον γαλαξιακό πυρήνα από ό,τι θα έδειχνε η παρατηρήσιμη μάζα τους.
Τελικά ανακαλύφθηκε ότι όλοι οι γαλαξίες περιέχουν φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης που εκτείνονται πολύ πέρα από τα όρια του γαλαξία που υποδεικνύονται μέσω ενός τηλεσκοπίου. Αυτά τα φωτοστέφανα λέγεται ότι αποτελούνται από MACHOs (Μαζικά Αστροφυσικά Συμπαγή Αντικείμενα Halo) και WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Οι MACHO θεωρούνται ότι είναι κυρίως μαύρες τρύπες και καφέ νάνοι (καμένα αστέρια). Αποτελούνται από συμβατική ή βαρυονική ύλη – τα άτομα με τα οποία γνωρίζουμε, είναι μόνο πολύ συμπιεσμένα. Τα WIMP λέγεται ότι είναι μη βαρυονικές μορφές ύλης, ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες. Ο πιο πιθανός υποψήφιος για WIMP είναι το νετρίνο και τα ξαδέρφια του.