暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质。
大爆炸理论提出以后，我们知道了宇宙的起源方式，但不知宇宙的组成成分，这个问题对宇宙学来说同样重要。但在人们对宇宙大尺度结构进行观察时，却发现了宇宙中缺少了一部分质量，这就是我们现在所说的暗物质问题。那么暗物质自从提出至今已有数十年的历史，也不知其是何物，那么当时的宇宙学家是如何发现暗物质存在的？
当时的宇宙学家想通过对大尺度结构的观测，去理解宇宙演化至今的方式，出发点就是宇宙中那些与我们毗邻的区域，即离我们最近的一批星系和它们组成的星系团。这将同时检验两方面的理论：一是引力的理论，二是我们对宇宙应有怎样的成分的推测。
星系团中星光质量和引力质量的不匹配
面对像星系乃至星系团这样大型的天体结构，要想知道其物质总量，我们有两种互不依赖的探查思路，即分别依靠星光和引力。我们已经知道恒星的工作机制，为此不但研究过太阳，也研究过银河系中海量的恒星，其类型从矮星到与太阳类似的恒星，再到高温的蓝色年轻恒星和老年的巨星一应俱全。
由此，不论是看到单颗恒星的光，还是看到一群恒星共同的光，我们都有办法判断恒星的质量和年龄。这个办法也可以扩展到星系研究上：通过测量一个星系在各个波段上的亮度，可以推测它含有的恒星的总质量。
当遇到那些比较典型的星系或星系团（如由数十亿到数千亿题恒星组成的星系，以及由数千个星系组成的星系团）时，我们可以运用亮度测量法得出其所有成员恒星的质量总数。
星系是个巨大的、有边界的恒星系统，所以我们也可以利用彼此类似的恒星的运动，结合关于引力的知识去求出其质量的总和。我们知道，关于牛顿引力的知识，如果与对行星绕日运动的测量结果结合，就能求出太阳的质量；与此类似，广义相对论的知识，如果与对恒星在星系中的公转的测量结果结合，就能估算出整个星系的质量。
当然我们还可以观测星系团中的成员星系如何运动，由此算出这个星系团需要有多大的总质量才不致解体。总之，依靠引力，我们也可以算出星系或星系团的总质量。你也许会觉得，既然太阳的质量占整个太阳系的99.8%，那么，对星系乃至星系团这种巨型结构，只测其恒星的光就足以接近星系的总质量了。然而实测结果说明，这种想法大谬不然。
我们根据对星光和对引力的实测算出星系总质量，竟然相差大约50倍。换言之，这个结果说明，星系的质量中大约只有2% 是以恒星形式存在的。那么，另外98% 到底是什么？最先注意到这个问题的是前面提到过的瑞士天文学家茨威基，他是个思维特异、敢于革故鼎新的人，20 世纪30年代是他成就最辉煌的时期。
但要说茨威基最出名的事情，或许要数 1933年对后发座星系团的观测。这个星系团规模超大，拥有数千个星系，离我们大约3.3亿光年。茨威基通过测量这些星系的谱线的红移或蓝移，不但得出了这个星系团远离我们而去的平均速度，还掌握了每个成员星系相对于该平均速度的速度。
在追加测量了各个成员星系与星系团中心的距离之后，他还得到了各成员星系相对星系团中心公转的粗略状况。由于既熟悉星系团的运作机制，又知道星系需要引力才能维持成团的状态，他就计算了整个星系团需要多大的总质量才能保证成员星系不会四散逃走。而当他把计算结果与根据星光推算出的总质量数值进行比较时，他也被震惊了，两个数值相去甚远！
面对这个巨大的质量差值，他用德文创造了一个新术语dunkle materie（英文是dark matter），即“暗物质”。
茨威基注意到的这个十分严肃的问题，本应得到当时大量天文学家和天体物理学者的关注，但或许是出于他本人的怪僻名声，又或许是出于当时天文学权威们的个人原因和偏见，这个问题竟然在此后的几十年里都未解决。必须承认，根据引力和根据亮度算出的星系团两种总质量之间的差距，当初被茨威基高估了大约3倍—他估计的二者差距为160倍，而如今认为的差距只有50倍。但即便是50倍的差距，也丝毫没有理由让人轻易忽略这个问题。
因为大家不打算严肃看待茨威基的发现，所以出现了许多否认这一结果的解释思路，如某些星系附近有其他的大质量天体在摄动，又如这些差值都应归因于气体和尘埃等不属于恒星的零散物质，再如那些恒星周围的行星数量比我们想象的多太多，以及有很多的暗弱到看不见光的恒星在提供剩余部分的引力等。可惜的是，这些思路也都没有经受检验。茨威基的这个重大发现，就这样被搁置到了20世纪70年代。
单个星系旋转速度的问题
在茨威基发明“暗物质”一词之后近四十年，学界对另一个独立的重要现象的研究，突然间复兴了暗物质的概念。这时，望远镜技术的进步，已经让我们不仅可以测出银河系内的单颗恒星或单个河外星系的红移或蓝移，还可以测得单个河外星系内不同位置的红移或蓝移。请想象一个绕着自己中心自转的螺旋星系，其外圈的运转速度较慢，内圈的速度较快。
如果它像著名的“旋涡星系”即 M51那样正好面对着我们，即其成员星的公转运动所在平面正好垂直于我们的视线，那么我们就不会在它身上看到因其转动而产生的红移或蓝移。但如果这个星系的盘面斜对着我们，甚或正好用其边缘对着我们，像M102（即NGC5866）那样，那么当它旋转时，它的一半就会有朝着我们的相对运动（有蓝移），另一半则有背离我们的相对运动（有红移）。
观察螺旋星系表面亮度，可以发现其中心部分最亮，越靠近边缘亮度越低，由此，我们会推断其质量的分布也是以核心区域为最多，向外依次减少。如果用太阳系与星系做个类比，就会得到更为极端的情况整个系统99.8%的质量位于中心，由此也难怪水星不仅是离太阳最近的行星，也是绕太阳运行速度最快的行星。离太阳越远的行星，公转的速度也会相应地减慢。与水星每秒 47千米的速度相比，地球则是每秒30千米，木星只有每秒13干米，而海王星仅有可怜的每秒5.4千米。
由于星系中的恒星大部分也是聚集在中心区域，我们可以期待：我们观测到的星系各部分的转速分布格局，应与太阳系类似。1970年，伽莫夫的女学生、天体物理学家鲁宾(Vera Rubin）打算进行这一测量。她的第一个目标是仙女座大星系，特别是其所含的气体云。该星系斜对着我们，其盘面与我们的视线夹角约30°，而且还是少数离我们越来越近的星系之一，这使得测量其转速相当容易。
但是，测量结果让鲁宾感到惊奇：从离中心近处到边缘，该星系中的气体运转速度非但不是逐渐降低的，在某些情况下还是逐渐提高的！
此后大约二十年里，鲁宾和许多同行逐渐发现这个现象不但是确凿的，而且在每个可以做此测量的星系中都存在。他们证实，星系边缘的转速并不一定低于更靠近中心的部分，而是处于星系整体的平均水平。考虑到星系中恒星物质大量聚集在核心区域的事实，这个结果令人震惊！
鲁宾对诸多星系进行单个观测的结果，让学界又开始重视茨威基关于星系团的研究。这两项成果的结合，标志着现代天体物理学的一次危机爆发了。
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