Hay una fuerte evidencia, mediante una gran variedad de observaciones, de la existencia de una gran cantidad de materia oscura en el universo. El término "materia oscura" alude a materia cuya existencia no puede ser detectada mediante procesos asociados a la luz, es decir, no emiten ni absorben radiaciones electromagnéticas, así como no interaccionan con ella de modo que se produzcan efectos secundarios observables; esta materia ha sido inferida solamente a través de sus efectos gravitacionales.
Hay también una extensa evidencia circunstancial de que al menos alguna cantidad de esta materia oscura es de naturaleza no bariónica, es decir, compuesta de partículas elementales distintas a los protones, neutrones y electrones (los bariones son todas aquellas partículas compuestas por tres quarks, tales como el protón o el neutrón; el electrón no es un barión sino un leptón, pero por simplicidad siempre que nos referimos a los bariones cuando hablamos sobre materia oscura se sobreentiende que incluimos a los electrones como si de un barión más se tratase).
La evidencia más fuerte de materia oscura está en las curvas de rotación de las galaxias espirales. En estas observaciones, la velocidad azimutal de las nubes de hidrógeno rodeando la galaxia es medida (mediante desplazamiento Doppler) en función de la distancia al centro de la galaxia o radio galáctico. Si no hubiese materia oscura, a distancias suficientemente alejadas del centro o bulbo de la galaxia encontraríamos que la velocidad es inversamente proporcional al radio o distancia galáctica. Sin embargo, observaciones de muchas galaxias espirales indican una velocidad que es independiente de la distancia a grandes distancias. En otras palabras, el movimiento de la materia que compone la estructura de una galaxia espiral no verifica las leyes de Kepler.
Otras indicaciones de la presencia de materia oscura vienen de observaciones del movimiento de galaxias y gas caliente en cúmulos de galaxias. Ninguna de estas observaciones nos da una indicación directa de la naturaleza de la materia oscura. Si es barionica, las formas que puede tomar están severamente restringidas, ya que la mayoría de las formas permitidas de este tipo de materia oscura emite y absorbe fotones en por lo menos una banda de frecuencia observable. Algunas posibles excepciones incluyen remanentes (de enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros) de una temprana generación de estrellas masivas u objetos más pequeños que nunca iniciaron la combustión nuclear (y podrían por lo tanto tener masas menores que aproximadamente la décima parte de la masa solar).
Hay también una extensa evidencia circunstancial de que al menos un porcentaje de la materia oscura es de naturaleza no bariónica, es decir, está compuesta por partículas elementales distintas a los electrones, protones o neutrones, y que no interactuan fuertemente con la materia normal. Se supone que podría tratarse de neutrinos u otras partículas mucho más pesadas, denominadas WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, o partículas masivas de interacción débil) que han sobrevivido desde el Big Bang, y por lo tanto, son extremadamente estables o bien tienen tiempos de vida que exceden la edad actual del Universo.
Los candidatos a dar cuenta de la materia oscura no bariónica son varios: neutrilinos, axiones, monopolos, cuerdas cósmicas, racimos de quarks, y una larga lista de posibilidades exóticas. Sin embargo, a excepción de los neutrinos, muchas de tales partículas elementales existen solamente en el campo teórico, ya que hasta el momento su existencia no ha sido detectada
.Además, por tratarse de materia no convencional, que no absorbe ni emite radiación electromagnética (luz, ondas de radio, etc.), su detección parece fuera de nuestro alcance por el momento.
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