荷兰天文学家简 · 奥尔特（Jan Oort）于30年代初首先意识到，解释我们邻近星球行为的最合适方式，即为设想有某种不可见的暗物质充斥于大部分空间。当时天文学家已经确认，银河系里的星球在各自的轨道上运行，它们的轨道中心都离太阳很远，而我们太阳系处于银河系的边缘，故其运行轨道的三分之二脱离银河系这个旋转着的星系的中心部位。天文学家对于邻近的星球能够比较详尽地研究，以致发现这些天体并非只精确地局限在单个平面上的运行，而是当沿其轨道绕银河系中心运行时还上上下下地摆动着。
探究不明作用力
当然，看来奥尔特不可能观测到单个星球的上下摆动。这种摆动花时几千年或几百万年。但依据下述两点——其一是高于和低于银河系平面的星球的总体分布，其二是星球的运行速度（由多普勒效应确定）——作出结论，可见星球对于维持其各自位置只贡献了三分之一的引力作用。
此后，其他天文学家利用射电天文技术和别的技术已经验明：在可见星球之间弥漫着大量冷的气体-尘埃云，其质量与可见星球相当。然而即便如此，对于冷云，连同星球一起，由此也只算得可解释银河系区域动力学问题所需引力的总质量的三分之二。
显然，还存在不明作用力，那么是由什么东西产生的呢？是暗物质。对它又是怎样量度的呢？借助一个所谓质光比M/L的数，便可量度这不可见的暗物质。例如太阳，它有一个太阳质量的物质，产生一个太阳光的光度，其质光比定义为1。奥尔特推测，地球邻近区域的质光比约为3。
“荷包蛋”星系
80年代的频谱技术已经足够先进，致使天文学家可能仔细地观测像我们银河系一样的旋涡星系的转动。旋涡星系的可见部分的中心有一个由星球集合而成的凸出核球，四周被一张由星球物质构成的扁平圆盘包围着，二者的比例近似如“荷包蛋”的蛋黄和蛋白之比，倘若星系在天空中的取向为其边缘对着我们，那就可能测量旋转圆盘的不同部位的速率，采用的方法是取一狭缝，以得到圆盘在不同地方的像，并测量离核球不同距离处的多普勒频移。目前利用射电天文技术测量圆盘的不动部分——氢气云的速度。而这种测量技术已扩展应用于某些星系离核球的更远处。
天文学家制作了一个遥远星系的圆盘里星球和尘埃-气体云沿轨道的运行速度对其与核球之距离的曲线；此类转动速度曲线通常是高对称的。星系一边的星球朝着我们运动，另一边的星球背着我们运动，二者凡离核球等距处的速率相同（测量时必须减去由宇宙膨胀而引起的全部红移量）。这一点并不奇怪，但天文学家惊奇地发现，在核球的任一边，除核球外，圆盘上各处星球的速率全都相同。若用天文学家的术语说，即为转动速度曲线极为平坦。
亮核和不可见晕
天文学家假定，旋涡星系的绝大部分质量集中于光亮的中心核球处，那里有许多星球；对此事人们感到迷惑不解。因为若果真如此，离核心远处的星球应比内层轨道上的星球运动得慢；这就是我们太阳系的外层行星比内层行星运动得慢的缘故（太阳系的绝大部分质量集中于中心太阳处）。
解释转动速度曲线的平坦性的最简捷途径是设想存在大量暗物质，以巨大的不可见晕的弥漫形态围绕着每个旋涡星系。如果晕大致是球状的，那么当它旋转时，它必牵引可见的亮星球，正如我们所观测到的结果那样。换句话说，旋涡星系的大部分质量不是源于核球的亮星球（或即使连带其圆盘里的星球），所以其质光比至少为5。
从单个星系尺度上升到宇宙的更大结构层次就是星系团：少数几个星系，或几百个（甚至更多）星系聚集一起成为一个群，靠的还是相互间的引力作用。星系团的每个星系的运动速率也可借助多普勒效应来推定（又当减去总的宇宙红移量），那么每个星系的质量可由其光度估计，倘使我们假定它的质光比约为1的话。
群集的星系团
着手研究暗物质的第一个人乃是瑞士天文学家弗里茨 · 兹维基（Fritz Zwiky）。与奥尔特发现宇宙中邻近地球区域的暗物质迹象大约同一时间，兹维基开始寻找更大尺度范围里存在暗物质的证据。如果星系团里的星系确实靠引力维系一起，而作为一个整体的星系团就像一群蜜蜂那样在空中飞行，那么星系团里的单个星系的速度必定小于星系脱离星系团的逃逸速度。可是，当兹维基利用多普勒技术测量“后发”星系团里的星系速度时，发现它们彼此间的相对运动要快得多，它们是靠该星系团的所有星系的全部星球间的引力牵引而维系在一起的。
看来在很久以前宇宙尚年轻，星系似乎须分离运动，使星系团离解。再则，兹维基考察了其他星系团，也发现同样的情况：在那些星系团里星系都很快地作分离运动，就凭我们所观测到的物质的引力作用而维系在一起。
经过几十年，尽管所有迹象不断地暗示，星系团包含大量暗物质，（其质光比高达300），一些天文学家还是对此颇感烦恼。30年代，宇宙膨胀概念以及对甚而已扩展超出银河系很远这样的事实的看法，是新的观念，暗物质是否存在这件事，看来只是一个不重要的谜。说其不重要，是指与勾勒一幅宇宙（确切些说是星系）的起源和演化的总体蓝图相比较而言的。只是到60年代，大爆炸模型才开始作为标准宇宙模型而确立其地位；也只是到这之后天文学家才非常注意探索解释星系团中星系的动力学行为的细节。
大爆炸理论的最初成功之处之一，在于似乎说明了宇宙中应该存在多少物质；此预言看来与我们所能观测到的物质数量相当。著名的宇宙微波背景辐射是由美国天文学家阿诺 · 彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特 · 威尔逊（Robert Wilson）于1965年发现的；它被解释为宇宙诞生时的火球形态的余烬。借助于这项修正，大爆炸标准模型预言大爆炸时原始的氢必合成为氦，其数量正为可用以解释为什么最老的星球由25%的氦和75%的氢构成。
然而，同样的计算也限制了可能以氢、氨以及其他熟悉的化学元素（所谓“重子物质”〉形式存在的物质总量。为使大爆炸火球中氦形成的精确条件与从目前宇宙所测量到的氢、氨丰度相适应，宇宙学家也已由此而确定了宇宙中重子的总密度。若假定宇宙中所有物质均由重子构成（重子是构成我们人类、地球上其他东西以及所有亮星的同类基元），这密度就转换为宇宙作为一个整体的质光比，其值显示为小于100。
80年代初，这一点开始引起天文学家的关注。由于望远镜及其观测技术的改进，得到观测证据：对于星系团，质光比至少为300。但是现今很好确立并高度成功的大爆炸理论指出，对于宇宙中所有重子来说质光比必须小于100。那么看来需要有大量额外质量，并且明显的是那些额外物质非为重子所构成。
后来，大爆炸理论因一个称为“暴胀”的概念的提出而经历一种神秘的转变，此概念描绘了极早期宇宙，因暴胀而生成火球，火球中氢合成为氦。暴胀论解开了大爆炸模型的某些不解之谜，以致它尔今成为标准模型的一部分。可是，暴胀论在解决一些老的宇宙学难题的同时，又作出一个严格的预言，乃涉及到宇宙的密度；就是说，宇宙中必须有足够多的物质，才可凭其引力使所有的星系和星系团维系在一起。若确实是这样，那宇宙中就必须有那么多的物质，使总的质光比高达1000左右。宇宙中物质必须至少为大爆炸产生的重子物质的10倍，或许更多为100倍。哪些物质为何物？分布在哪里？物理学家已经知道有另外一种粒子对此会作出贡献。为计算之目的，我们来看看重子物质中的电子，其质量只有质子质量的千分之零点五，而宇宙中电子总数与质子总数相同，因此电子对物质密度的贡献是很微小的。但另外一种粒子大量存在，它们是中微子，参与涉及弱作用的核反应。大爆炸标准模型预言，宇宙中必定有许多许多中微子，约为重子数的109倍。
热暗物质和冷暗物质
直到80年代，按惯例中微子的质量还被认为等于零，就像光子一样。一些粒子物理理论要求这样，但另一些理论允许中微子可能具有很小质量。宇宙中既然有那么多中微子，假如每个中微子的质量为几十电子伏，那么它们的总体可作为使宇宙维系一起所需求的全部暗物质。
用实验直接测量中微子的质量是困难的，迄今尚无结论，而只能定出个质量上限。所以，确定暗物质是否取中微子形式的最佳检验方式是，分析宇宙中星系的分布图像，以鉴定若中微子具有质量而因此形成的宇宙质量分布图像是否与此相吻合。
然而这样的做法是复杂的，因为可能存在暗物质的另外种类的候选者，粒子物理学家试图探讨一种统一的物理学理论，这种理论假定宇宙中可能存在一种或几种实验室中从未检测到的粒子。该假定与天文学家的发现尚未挂起钩来。但研究宇宙最大尺度的天文学家和研究最小尺度的粒子物理学家都要求物质有“新”的形式。
粒子物理学论文提出例外粒子的其他候选物。某些候选粒子的质量可与质子相比拟，但不与普通物质相作用，以致还未被检测到。这些假想的粒子往往被称作“弱作用有重粒子（WIMP）”。
这类粒子通常又被称为“冷暗物质（CDM）”粒子。所谓冷是指它有较大质量，以致在大爆炸时射出速度比光速低得多。与此相比，中微子的质量很小，以致在大爆炸时射出速度很大，接近光速，所以被称作“热暗物质（HDM）”粒子。在过去10年左右时间内，天文学家的主要难题之一是确定天空中星系图跟两种图像——二者分别与冷暗物质和热暗物质相关一中哪一种更相似，两种图像的主要区别来源于宇宙早期（指大爆炸之后星球和星系形成之时），两类暗物质的影响不同。热暗物质会冲平任何东西，以保持宇宙的平滑性和均匀性，直至减慢了速度，才会容许不规则性重又滋生，因为在减慢之前物质在较小尺度上的那样分布可能已使其平滑化了。首先形成的结构或许在超星系团的尺度上，超星系团形如片状和丝状，散裂了即成为星系和星球。前后演化顺序自然是大结构散裂成小结构。
可是，在冷暗物质支配的宇宙中，大爆炸之后即便形成小尺度上的结构层次，暗物质块吸引重子物质，宛如水流进坑洼。这小结构层次由星球和星系组成的基底所构成，并聚集一起形成超星系团及其丝状图像。
理论计算和电脑模拟二者有助于表明，由热暗物质支配的宇宙中可能看到哪一类块状物，而由冷暗物质支配的宇宙中我们又期盼哪一类块状物呢？由热中微子支配的宇宙被预言具有相当简单的结构，就像蜂窝状网络（虽然不很规则），其中，亮星系仅以轮廓分明的片状形式构成，并不完全是空的。至于CDM宇宙的结构更丰富、更不规则，也更复杂些，但看起来更像真实的宇宙。片状结构和丝状结构以错综复杂的方式缠绕在一起，而其中的空域实际上不是完全的真空。
COBE的发现
然而，CDM模型的最简方案并不能说明横扫天空的星系分布的所有细节，需有某些附加的效应以解释宇宙的真实结构。
关于是什么附加效应的讨论涉及到如下意见：引力的本质可能须修改，由引力辐射产生的涟漪对于确定早期宇宙中重子的分布情况会发挥效用。但这个难题的最简解答可由对宇宙微波背景辐射中涟漪的分析得出。美国国家宇航局（NASA）的宇宙背景探索卫星（COBE）对背景辐射作了探测。
在COBE检测到的涟漪图上，有一些大爆炸后约30万年时因物质与背景辐射最后的相互作用而在背景辐射上打下的印记。那时宇宙冷至6000 K（这大致便是今天太阳的表面温度），于是电子就能与核开始相结合，形成稳定的电中性原子，原子与背景辐射没有显著的相互作用。
涟漪图伸展到甚至比最大的丝状超星系团更大的尺度范围（从天空星系图上可见其踪迹）。可是涟漪图的几何结构对任何尺度范围都是一致的（你若看一半天空，你得到与整个天空相同类型的图像；与四分之一天空的图像相比亦然；如此等等）。并且，凭借亮星系得出的图像也属同类，所以似乎没有理由认为这种具有尺度不变性的图像是标志宇宙中物质（目前的和过去的）分布的典型方式。
为了作出天空中物质分布的精确图像，须将大约三分之二的冷暗物质与三分之一的热暗物质混合起来，并略去普通的原子物质（即重子物质，其质量可能为总质量的百分之一）。按此“混合暗物质”的解释，冷暗物质聚结成块，其上只生长星系和星系团，而热暗物质充斥于冷暗物质块之间的某些空域，由以弄平宇宙各处的总密度，减小了块与空域二者密度的明显差异。
原子物质（构成星球和星系的可见基元）受到两类暗物质的引力作用，因此我们目前看到的星系的泡沫状分布表现出热暗物质和冷暗物质提供的二者平均了的波动效应。
英国的一个研究组已给出物质混合的精确数值（但可能是稍微过分乐观的估值）：宇宙由69%的冷暗物质、30%的热暗物质和1%的重子物质构成；他们甚至算出要求中微子的质量为7.5 eV，此为电子质量的百分之0.0014。令人愉快的是，该值低于迄今由实验得出的中微子质量上限值20 eV。
一个实验证实中微子的质量约为7~8 eV左右，因此该实验结果被当作从实验室得到的证据，以致我们可确认宇宙由什么东西构成。这或许意味着从整个宇宙的测量中预言了最轻粒子的质量（有别于质量为零的粒子）。
如今正着手对冷暗物质粒子的实验检测。因为理论上还未说明宇宙中须有多少这种粒子，故每个粒子的质量的可能取值范围很大；但再则，若检测到该质量取值的恰当范围的某些线索，便能有力地证明宇宙的这个混合暗物质模型的合理性了。无论如何，下一步要了解宇宙主要由何物构成这一点，还得在地面实验室中寻找其证据。
[New Scientist，1994年3月19日]