7个独立的证据都指向了暗物质，没有它，宇宙将大不相同
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。
由于恒星的质量只是正常物质质量的一小部分，所以我们知道肯定有某种形式的暗物质占了这些星系团质量的绝大部分（85%左右）。
还有许多其他独立的方法来测量暗物质的丰度、正常物质的不足或暗物质与正常物质的比值，包括从星系对的特殊速度、通过重子声振荡的声峰大小等等。虽然任何一个单独的证据都有可能被驳倒，或者可以用另一种解释来代替暗物质，但整套证据都指向了暗物质无可争议的存在。
任何没有暗物质的宇宙都不会看起来像我们的宇宙。