Có một thứ gì đó đang giữ các thiên hà lại với nhau. Đó không phải là vật chất mà chúng ta có thể nhìn thấy. Các ngôi sao quay quanh tâm thiên hà quá nhanh so với khối lượng vật chất có thể nhìn thấy. Các cụm thiên hà nóng hơn mức bình thường. Hiện tượng thấu kính hấp dẫn bẻ cong ánh sáng nhiều hơn so với khả năng của vật chất có thể nhìn thấy. Lời giải thích đơn giản nhất là vật chất tối: một dạng vật chất không phát ra, hấp thụ hay phản xạ ánh sáng, nhưng lại tạo ra lực hấp dẫn.

Vật chất tối chiếm khoảng 27% vũ trụ. Nó không được cấu tạo từ các nguyên tử. Nó không tương tác điện từ, đó là lý do tại sao nó vô hình. Nó chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn, và có thể cả lực hạt nhân yếu. Các ứng cử viên bao gồm WIMP, axion và neutrino vô trùng. Cho đến nay, chưa có hạt nào được phát hiện.

Vật chất tối rất cần thiết cho sự hình thành cấu trúc. Nếu không có nó, lực hấp dẫn không thể kéo vật chất lại với nhau đủ nhanh để hình thành các thiên hà. Các mô phỏng có bao gồm vật chất tối tái tạo được mạng lưới vũ trụ quan sát được. Các mô phỏng không có nó thì không.

Việc tìm kiếm này là một trong những nỗ lực lớn nhất trong vật lý. Các máy dò dưới lòng đất, máy gia tốc hạt và kính viễn vọng đều đang săn lùng nó. Cho đến nay, vẫn chưa có gì. Nhưng bằng chứng về lực hấp dẫn thì rất rõ ràng.