此答案由弗吉尼亚州拉德福德的拉德福德大学的物理学家雷特·赫尔曼和蒙大拿州博兹曼的蒙大拿州立大学的肖恩·L·拉尔森提供。
暗物质正如其名称所暗示的那样；它是宇宙中我们无法使用任何望远镜直接看到的物质（或质量）。我们的望远镜不仅可以看到可见辐射（构成我们自己眼睛可以检测到的颜色光谱），还可以看到其他类型的辐射。
图片：皇家格林威治天文台
隐藏的质量。 光学望远镜只能看到这张合成图像中明亮的星系。但 ROSAT 卫星显示，它们周围环绕着一层发出 X 射线的热气体云。这种气体解释了光学图像无法解释的星系旋转效应。 |
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暗物质不会通过发射任何类型的电磁辐射来显示其存在。它不发射红外辐射，也不发出无线电波、紫外线辐射、X 射线或伽马射线。它真的是“黑暗的”。宇宙学家认为我们只能看到宇宙中约 10% 的物质。在他们能够准确确定宇宙的质量之前，他们不会确定它是在无限膨胀还是会在某个时刻停止膨胀并坍缩。
那么，我们如何才能自信地说我们知道暗物质存在？暗物质向我们显示其存在的方式是通过它对宇宙中发光物质产生的引力效应。（“发光”物质是我们可以用望远镜看到的物质。）观察星系的旋转时，可以观察到暗物质引力效应最明显的例子。
为了研究星系自转，天文学家会观察星系每个部分中恒星的发射线光谱。当使用衍射光栅或棱镜观察来自恒星的光时，星光会分解成其真实颜色，这与普通阳光分解成被称为可见光谱的全彩虹的方式非常相似。
构成星光的真实颜色会在可见光谱中分离成一系列明暗线，每条彩色线对应于特定波长的光。这些线出现的特定波长是恒星所含元素的特征。因此，它们可以用作元素的“指纹”来识别恒星的成分。
当一颗发射这些线光谱的恒星远离我们时，所有谱线的波长都会移动到比恒星静止或侧向移动（既不朝向我们也不远离我们）时更高的值。因此，所有谱线都向光谱的长波长部分移动，或者向光谱的红色端移动。
这种线移动（称为多普勒频移）向可见光谱的红色端移动是术语“红移”的来源。当一颗恒星的一部分朝向我们移动时，谱线会移动到较短的波长，或“蓝移”，向光谱的蓝色端移动。通过测量波长的偏移，研究人员可以计算出恒星朝向我们或远离我们的精确速度。
当星系旋转时，星系朝向一侧的恒星的星光会发生蓝移，而星系另一侧的恒星的星光会发生红移。因此，我们可以知道星系中每颗恒星绕星系中心轨道运行的速度和方向。
当恒星绕星系中心运行时，它们的轨道速度由星系内包含的质量分布决定。显示恒星轨道速度与它们距星系中心距离的图表称为星系中恒星的“自转曲线”。
如果取星系中所有可以看到的发光物质（恒星、气体和尘埃），并使用牛顿发现的众所周知的引力物理定律预测自转曲线，那么恒星的速度应该以可预测的方式随着它们离星系中心越远而减小。
然而，观察星系的自转曲线，天文学家发现自转速度并没有像预期的那样随着距离的增加而下降。相反，曲线趋于平缓，远离星系中心的恒星移动速度比预期的快。解释这种现象的唯一方法是星系中存在大量无法看到的物质——暗物质。为了解释天文观测结果，这种暗物质必须以称为星系晕的大型球形分布环绕星系。
暗物质的理论候选者分为两组，称为 MACHO 和 WIMP。MACHO（大质量天体致密晕对象）的存在已通过实验证实——最近在我们自己的银河系中。MACHO 的性质和起源目前是一个伟大的推测和争论的问题，但它们的质量和分布已通过它们的引力效应进行了测量。MACHO 的候选提案包括原始黑洞，以及一些尚未正确描述其性质的新型外来天体。
平均 MACHO 的质量似乎约为我们太阳的一半。但是 MACHO 的数量虽然很大，但似乎仍然太少，无法解释星系晕中怀疑存在的所有暗物质。这一事实促使天体物理学家推测其他可能的暗物质形式，例如 WIMP。
WIMP（弱相互作用大质量粒子）是外来的、大质量的基本粒子，它们与物质的相互作用不强。（因此它们没有与我们的探测器相互作用，因此我们尚未检测到它们）。由于 WIMP 确实具有质量，并且会有大量的 WIMP，它们个体上微弱但集体上强大的引力效应可以解释暗物质对星系自转曲线产生的部分影响。
一种可能的暗物质候选者是中微子。刚刚宣布的在日本使用名为超级神冈的探测器进行的实验表明，中微子可能确实有质量。宇宙学家已经在重新审查当前被接受的理论。
已知暗物质的存在是通过它对宇宙中可见物质产生的引力效应。随着我们的天体物理实验变得更加复杂，我们对大型引力系统（星系和星系团）的理解不断加深，我们将回答多年来困扰我们的更多问题。
关于暗物质的性质和起源的新问题不断被提出，确保该领域在未来几年将是令人兴奋的、充满活力的，并且处于天体物理研究的最前沿。