Quelque chose maintient les galaxies ensemble. Ce n'est pas la matière visible. Les étoiles orbitent autour des centres galactiques à une vitesse trop élevée pour que la masse visible puisse l'expliquer. Les amas de galaxies sont plus chauds qu'ils ne devraient l'être. L'effet de lentille gravitationnelle courbe la lumière davantage que ne le permettrait la matière visible seule. L'explication la plus simple est celle de la matière noire : une forme de matière qui n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière, mais qui exerce une force gravitationnelle.

La matière noire représente environ 27 % de l'univers. Elle n'est pas composée d'atomes. Elle n'interagit pas électromagnétiquement, ce qui explique son invisibilité. Elle interagit uniquement gravitationnellement, et peut-être aussi par l'intermédiaire de l'interaction faible. Parmi les candidats figurent les WIMPs, les axions et les neutrinos stériles. Aucun n'a encore été détecté.

La matière noire est essentielle à la formation des structures cosmiques. Sans elle, la gravité n'aurait pas pu rassembler la matière assez rapidement pour former les galaxies. Les simulations qui incluent la matière noire reproduisent la toile cosmique observée. Celles qui l'ignorent ne le font pas.

Cette recherche représente l'un des plus grands efforts de la physique. Détecteurs souterrains, collisionneurs de particules et télescopes sont tous mobilisés. Jusqu'à présent, rien. Pourtant, les preuves gravitationnelles sont accablantes.