暗物質是理論上提出的可能存在於宇宙中的一種不可見的物質。
大爆炸理論提出以後，我們知道了宇宙的起源方式，但不知宇宙的組成成分，這個問題對宇宙學來說同樣重要。但在人們對宇宙大尺度結構進行觀察時，卻發現了宇宙中缺少了一部分質量，這就是我們現在所說的暗物質問題。那麼暗物質自從提出至今已有數十年的歷史，也不知其是何物，那麼當時的宇宙學家是如何發現暗物質存在的？
當時的宇宙學家想通過對大尺度結構的觀測，去理解宇宙演化至今的方式，出發點就是宇宙中那些與我們毗鄰的區域，即離我們最近的一批星系和它們組成的星系團。這將同時檢驗兩方面的理論：<strong>一是引力的理論，二是我們對宇宙應有怎樣的成分的推測。
星系團中星光質量和引力質量的不匹配
面對像星系乃至星系團這樣大型的天體結構，要想知道其物質總量，我們有兩種互不依賴的探查思路，即分別依靠星光和引力。我們已經知道恆星的工作機制，為此不但研究過太陽，也研究過銀河系中海量的恆星，其類型從矮星到與太陽類似的恆星，再到高溫的藍色年輕恆星和老年的巨星一應俱全。
由此，不論是看到單顆恆星的光，還是看到一群恆星共同的光，我們都有辦法判斷恆星的質量和年齡。這個辦法也可以擴展到星系研究上：通過測量一個星系在各個波段上的亮度，可以推測它含有的恆星的總質量。
當遇到那些比較典型的星系或星系團（如由數十億到數千億題恆星組成的星系，以及由數千個星系組成的星系團）時，我們可以運用亮度測量法得出其所有成員恆星的質量總數。
星系是個巨大的、有邊界的恆星系統，所以我們也可以利用彼此類似的恆星的運動，結合關於引力的知識去求出其質量的總和。我們知道，關於牛頓引力的知識，如果與對行星繞日運動的測量結果結合，就能求出太陽的質量；與此類似，廣義相對論的知識，如果與對恆星在星系中的公轉的測量結果結合，就能估算出整個星系的質量。
當然我們還可以觀測星系團中的成員星系如何運動，由此算出這個星系團需要有多大的總質量才不致解體。總之，依靠引力，我們也可以算出星系或星系團的總質量。你也許會覺得，既然太陽的質量佔整個太陽系的99.8%，那麼，對星系乃至星系團這種巨型結構，只測其恆星的光就足以接近星系的總質量了。然而實測結果說明，這種想法大謬不然。
我們根據對星光和對引力的實測算出星系總質量，竟然相差大約50倍。換言之，這個結果說明，星系的質量中大約只有2% 是以恆星形式存在的。那麼，另外98% 到底是什麼？最先注意到這個問題的是前面提到過的瑞士天文學家茨威基，他是個思維特異、敢於革故鼎新的人，20 世紀30年代是他成就最輝煌的時期。
但要說茨威基最出名的事情，或許要數 1933年對后髮座星系團的觀測。這個星系團規模超大，擁有數千個星系，離我們大約3.3億光年。茨威基通過測量這些星系的譜線的紅移或藍移，不但得出了這個星系團遠離我們而去的平均速度，還掌握了每個成員星系相對於該平均速度的速度。
在追加測量了各個成員星系與星系團中心的距離之後，他還得到了各成員星系相對星系團中心公轉的粗略狀況。由於既熟悉星系團的運作機制，又知道星系需要引力才能維持成團的狀態，他就計算了整個星系團需要多大的總質量才能保證成員星系不會四散逃走。而當他把計算結果與根據星光推算出的總質量數值進行比較時，他也被震驚了，兩個數值相去甚遠！
面對這個巨大的質量差值，他用德文創造了一個新術語dunkle materie（英文是dark matter），即“暗物質”。
茨威基注意到的這個十分嚴肅的問題，本應得到當時大量天文學家和天體物理學者的關注，但或許是出於他本人的怪僻名聲，又或許是出於當時天文學權威們的個人原因和偏見，這個問題竟然在此後的幾十年裡都未解決。必須承認，根據引力和根據亮度算出的星系團兩種總質量之間的差距，當初被茨威基高估了大約3倍—他估計的二者差距為160倍，而如今認為的差距只有50倍。但即便是50倍的差距，也絲毫沒有理由讓人輕易忽略這個問題。
因為大家不打算嚴肅看待茨威基的發現，所以出現了許多否認這一結果的解釋思路，如某些星系附近有其他的大質量天體在攝動，又如這些差值都應歸因於氣體和塵埃等不屬於恆星的零散物質，再如那些恆星周圍的行星數量比我們想象的多太多，以及有很多的闇弱到看不見光的恆星在提供剩餘部分的引力等。可惜的是，這些思路也都沒有經受檢驗。茨威基的這個重大發現，就這樣被擱置到了20世紀70年代。
單個星系旋轉速度的問題
在茨威基發明“暗物質”一詞之後近四十年，學界對另一個獨立的重要現象的研究，突然間復興了暗物質的概念。這時，望遠鏡技術的進步，已經讓我們不僅可以測出銀河系內的單顆恆星或單個河外星系的紅移或藍移，還可以測得單個河外星系內不同位置的紅移或藍移。請想象一個繞著自己中心自轉的螺旋星系，其外圈的運轉速度較慢，內圈的速度較快。
如果它像著名的“旋渦星系”即 M51那樣正好面對著我們，即其成員星的公轉運動所在平面正好垂直於我們的視線，那麼我們就不會在它身上看到因其轉動而產生的紅移或藍移。但如果這個星系的盤面斜對著我們，甚或正好用其邊緣對著我們，像M102（即NGC5866）那樣，那麼當它旋轉時，它的一半就會有朝著我們的相對運動（有藍移），另一半則有背離我們的相對運動（有紅移）。
觀察螺旋星系表面亮度，可以發現其中心部分最亮，越靠近邊緣亮度越低，由此，我們會推斷其質量的分佈也是以核心區域為最多，向外依次減少。如果用太陽系與星系做個類比，就會得到更為極端的情況整個系統99.8%的質量位於中心，由此也難怪水星不僅是離太陽最近的行星，也是繞太陽運行速度最快的行星。離太陽越遠的行星，公轉的速度也會相應地減慢。與水星每秒 47千米的速度相比，地球則是每秒30千米，木星只有每秒13幹米，而海王星僅有可憐的每秒5.4千米。
由於星系中的恆星大部分也是聚集在中心區域，我們可以期待：我們觀測到的星系各部分的轉速分佈格局，應與太陽系類似。1970年，伽莫夫的女學生、天體物理學家魯賓(Vera Rubin）打算進行這一測量。她的第一個目標是仙女座大星系，特別是其所含的氣體雲。該星系斜對著我們，其盤面與我們的視線夾角約30°，而且還是少數離我們越來越近的星系之一，這使得測量其轉速相當容易。
但是，測量結果讓魯賓感到驚奇：從離中心近處到邊緣，該星系中的氣體運轉速度非但不是逐漸降低的，在某些情況下還是逐漸提高的！
此後大約二十年裡，魯賓和許多同行逐漸發現這個現象不但是確鑿的，而且在每個可以做此測量的星系中都存在。他們證實，星系邊緣的轉速並不一定低於更靠近中心的部分，而是處於星系整體的平均水平。考慮到星系中恆星物質大量聚集在核心區域的事實，這個結果令人震驚！
魯賓對諸多星系進行單個觀測的結果，讓學界又開始重視茨威基關於星系團的研究。這兩項成果的結合，標誌著現代天體物理學的一次危機爆發了。
閱讀更多 歆琳科普 的文章
