1959年凯恩（F. D. Kahn）和沃特（L. Woltjer）研究了彼此吸引的仙女座大星云和银河系之间的相对运动，通过相互它们靠近的速度和彼此间的距离，推论出我们人类所处的本星系团中的暗物质比可见物质的质量约大十倍。暗物质存在的一个重要证据来自1970年鲁宾（Vera Rubin）和福特（Kent Ford）对仙女座大星云中星体旋转速度的研究。利用高精度的光谱测量技术，他们可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。
按照牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上，星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着星系中可能有大量的不可见物质并不仅仅分布在星系核心区，且其质量远大于发光星体的质量总和。1973年罗伯兹（M. S. Roberts）和罗兹（A. H. Rots）运用21厘米特征谱线观测技术探测仙女座大星云外围气体的速度分布，也从另一角度证实了这一结论。1980年代，出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据，包括观测背景星系团时的引力透镜效应，星系和星团中炽热气体的温度分布，以及宇宙微波背景辐射的各向异性等。暗物质存在这一理论已逐渐被天文学和宇宙学界广泛认可。根据已有的观测数据综合分析，暗物质的主要成分不应该是已知的任何微观基本粒子。当今的粒子物理学正在通过各种手段努力探索暗物质粒子属性。
尽管暗物质尚未被直接探测到，但已经有大量证据表明其大量存在于宇宙中，例如：
星系旋转曲线与弥散速度分布
星系旋转曲线描述了漩涡星系中可见天体的环绕速度和其距离星系中心距离的关系。根据对漩涡星系中可见天体质量分布的观测以及万有引力定律的计算，靠外围的天体绕星系中心旋转的运动速度应当比靠中心的天体更慢。然而对大量漩涡星系旋转曲线的测量表明，外围天体的运行速度与内部天体近乎相同，远高于预期。这暗示着这些星系中存在着质量巨大的不可见的物质。结合位力定理，可以通过星系中可见天体的弥散速度分布计算出星系中的物质分布。这种方法同样适用于测量椭圆星系和球状星团的物质分布。结果表明，除个别以外，大部分星系和星团的物质分布都与观测到的可见物质的分布不符，可见物质的质量仅占星系和星团总质量的较小部分。
星系团的质量分布主要可以通过三种不同的手段得出：（1）观测星系团中的星系的运动，通过引力理论计算得到。（2）观测星系团产生的X-射线。星系团中普遍存在能发射出X-射线的炽热气体，当气体在星系团引力场中达到流体力学平衡后，可通过其温度推测出星系团的质量分布。（3）引力透镜（gravitational lensing）效应。
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