几十年前，我们以为自己理解了组成宇宙的所有物质。但是好景不长，我们现在知道，构成宇宙中所有可见事物——从星系到行星，再到星际气体和尘埃组成的云团——的基石，也就是原子，只占到所有物质的20%而已，剩下的80%是暗物质，对于传统望远镜而言它是完全透明的。但是如果我们看不到它，我们又怎么知道它在哪里呢？
我们不能直接去称量太阳或者行星的质量。实际上，我们是通过检测它借助引力效应对附近天体产生的运动影响而反推出它的质量的。运用同样的方法，通过观测恒星或者其他天体的运行速度，我们也可以测量星系，甚至星系团的质量。在1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky,1898—1974）把这一方法运用于后发座星系团，这是一个距我们3亿光年之遥，由1000多个星系组成的星系团。他发现，该星系团中的单个星系的运动速度实在是太快了，星系团所能提供的引力根本无法将它们束缚在星系团内。按理说，这些星系早就应该分崩离析了（见图6.1）。
兹威基的谜题乏人问津，直到20世纪60年代末期，供职于美国华盛顿特区卡内基研究所的薇拉·鲁宾（Vera Rubin,1928—2016）观测了数个遥远星系的氢气气体云，并测量了它们的多普勒频移。结果显示，根据这些气体云绕着星系中心旋转的速度推算，星系应该具有的质量，比可见物质的质量要大得多。
如果没有暗能量，那么看起来稳如泰山的星系，它的存在本身就是对物理定律的一次否定。星系的存在和其他强有力的证据一道，预示着宇宙中除了肉眼能看到的物质，一定还有其他更多看不到的物质。
宇宙微波背景
尽管我们不能直接看到暗物质，但是不管我们往哪里看——如在宇宙微波背景中——到处都能看到它存在的痕迹。通过研究宇宙微波背景中微热、微冷区块的分布模式，我们可以获得关于宇宙历史和构成的大量知识（见图6.2）。这其中，微波背景辐射的起伏就显示了早期宇宙不同区域物质的分布情况。由于相比普通物质，暗物质更早地受到引力的影响而成团，所以可以通过许多小小的冷/热区块观察到它的影响，每个这样的区块都会在天空中占据大约0.25度的空间。
这些区块的分布模式让我们可以确定暗物质的含量。结果显示，在宇宙中，每存在1克肉眼可见的普通物质，就一定有4~5克的不可见物质。
哪怕星系没有分崩离析这一点并不是暗物质的功劳，超级计算机的模拟结果也预示着，如果不存在暗物质的话，那么宇宙看起来就会截然不同。这些模拟追踪了整个宇宙寿命中数十亿个粒子的运行轨迹，目标就是解释为什么宇宙变成了现在这个样子。当一团由普通物质组成的气体被压缩时，其中的原子会更频繁地发生碰撞。这种相互作用会抵制住原子，不让它们更靠近，以此阻止引力对气体的进一步吸引。相反，暗物质粒子的相互作用就要少得多，压缩要厉害得多。包含这一性质的模拟指出，当宇宙膨胀和演化时，第一个形成的结构一定是暗物质的团块，或者说叫晕（见图6.3）。
第一个形成的暗物质晕大概和地球的质量差不多，但比地球的密度要小许多。随着时间的推移，暗物质晕不断并合，并不断长大。最终，其中的一些变得质量足够大，可以吸引大量的氢、氦和其他普通物质，这些是第一代恒星和星系的种子。
不管是从形状上还是大小上来看宇宙的结构，从暗物质模拟中得出的结论和从观测中得到的结果都惊人一致。这意味着暗物质不仅真实存在，而且它还是星系的摇篮，我们的银河系就在这个摇篮中长大。
