简单地说，我们依然不知道。它一定是隐形的，或者最起码非常暗弱，所以暗物质构成的物体都不能有显著的辐射、反射或吸收现象，这就排除了传统的基于原子的物质。我们曾经以为，暗物质可能是黑洞或者其他奇特类型的恒星，如中子星或者白矮星。这些天体对我们的望远镜而言都是几乎不可见的。但是观测结果似乎也排除了这种“晕族大质量致密天体”（ Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO）。MACHO产生的集中的引力，会使远处恒星发出的光线在经过它附近时产生弯折。我们的确能看到这类引力透镜效应，但是它发生的频率还是太低了：这类观测指出， MACHO只能用以解释消失质量中的百分之几。
大部分的宇宙学家现在相信我们漫游在一片暗物质的海洋中，而这种由弱相互作用大质量粒子构成的暗物质气体弥漫于整个星系，也包括我们的太阳系。然而，我们在过去的一个世纪里所发现的所有粒子都不符合这个理论。暗物质一定是某种全新的物质。在最近几年里，数十种可能性被相继提出，相应的模型涉及类似中微子的重粒子、极轻的被称为“轴子”的粒子对普通物质的微妙转变（见下文“奇怪的旧相识”部分）以及异常奇特的粒子穿越在额外的空间维度之中。
超对称
然而对于许多物理学家而言，这诸多的可能性里面自有他们的偏好：一类名为超对称的理论所预言的粒子。在我们的世界里有两类粒子：费米子和玻色子。费米子包含了电子、中微子和夸克，形成了我们平时常见的物质。玻色子是传递自然界中的力的粒子。电磁力不过就是玻色子——在这个例子里更确切地说是光子——在带电粒子之间循环往复的运动。
超对称理论预言，对于每一种费米子，一定对应存在着一种在许多性质上与其极为类似的玻色子（见图6.4）。以电子为例，它就有一个尚未被发现的玻色子伙伴，我们称为超电子（selectron）。类似地，光子也存在一个费米子的对称粒子，称为光微子（photino）。
在超对称的所有新粒子里，有一种粒子有可能稳定存在并具有暗物质粒子所应具有的特质，这就是这类粒子里最轻的一种：超中性子（neutralino）。如果超中性子真的存在，那么最轻的那种超中性子可能在大爆炸之后的第一秒就大量产生了，成了我们今天所注意到的暗物质。
当然，这里还有一个小问题。没有人见过超对称粒子。物理学家猜测如果基本粒子的超对称粒子真的存在，那么它会比普通粒子的质量大得多，这就使得它在实验里很难被创造或发现。但是位于瑞士日内瓦附近的CERN的大型强子对撞机（Large Hadron Collider,LHC），最近达到了我们预期超对称粒子出现的能量。虽然大型强子对撞机可能无法直接探测它们，但是通过观察粒子对撞的结果，特别是能量和动量被带走所导致的粒子失衡，可以推测出超对称粒子的存在。到目前为止，我们还是一无所获。
还有一些物理学家试图探测穿越地球的暗物质粒子，这很困难。暗物质粒子之所以暗，正是因为它与普通物质几乎不发生作用，而要实现对它的探测，就要在形形色色的背景上发现暗弱的信号，这些背景包括了天然放射性现象或者宇宙射线等粒子的相互作用。这就好像站在一个嘈杂的街角，想去倾听别针掉落在地面上的声音一样。
暗物质猎手
一些暗物质猎手来到了地下，他们在矿井里架设探测器，以此屏蔽来自宇宙射线的影响。到目前为止，这些探测器还没有探测到任何暗物质粒子。虽然时不时地会蹦出一个似有似无的探测结果，但是更多的数据通常表明这不过是一场空欢喜。
有遁地的，就有飞天的。我们的目标就是搜寻大质量暗物质粒子相互作用并湮灭时所产生的高能粒子。用以探测伽马射线、反物质和中微子的非传统望远镜已经探测到一些诱人的结果，与暗物质湮灭所预言的结果相符。在2008年，放置于卫星上的反物质/物质探测和光核天体物理学的有效载荷（PAMELA）经实验发现，在太空穿行的宇宙射线有相当一部分竟然不是来自普通物质，而是来自反物质。这有可能是暗物质湮灭的结果——当然，它们更有可能是来自银河系中其他已知的反物质来源，如脉冲星（也就是快速转动的中子星）。NASA的费米伽马射线空间望远镜也在银河系的中心观测到了一个明亮的伽马射线源，它看起来很像是湮灭的暗物质粒子所产生的信号。当前，这个结果比PAMELA的更可信，但它同样可能有着之前未知的天体物理学起源。
到头来，暗物质会不会其实不存在，而搜索工作会不会是竹篮打水一场空呢？在1983年，以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom,1946— ）提出了一个假说，他认为恒星绕着星系运转速度过快可能有另一种解释——可能引力运行的方式与牛顿或爱因斯坦所预言的并不一致。他指出，如果牛顿第二运动定律——力等于质量乘以加速度，或者说F=ma——在极低的加速度下修改一下形式，力的大小不再与加速度成正比，而是与加速度的平方成正比，那么我们观测到的星系旋转曲线就能解释得通了。
然而，近些年来，米尔格若姆的假说——称为MOND理论， MOND是Modified Newtonian Dynamics（修正牛顿引力）的英文缩写——遭到了重挫。特别是，它无法对星系团中成员星系的动力学性质给出合理解释。子弹星系团是一对相撞的星系团，一项2006年的观测显示，它们的运动中心并不是气体和恒星构成的引力中心，这与MOND理论的预言相悖。这意味着暗物质使引力中心发生了偏移。大多数宇宙学家都不再把MOND理论视为暗物质的一个可信的替代理论。子弹星系团并不能驳斥其他所有的修正引力理论，而一些激进的相对论替代理论声称可以解释暗物质的部分效应（详见第8章），但是不管怎样，我们还是需要暗物质。
差不多每两年，暗物质探测器的灵敏度就会提高10倍，所以关于暗物质粒子存在的确凿证据也许在接下来的几年里就会被发现，到那时我们就可以试图更好地理解暗物质的性质了。
