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우주에 눈에 보이는 별과 은하들 이외에 더 많은 것들이 있다는 생각을 하게 된 것은 1933년 스위스계 미국 천문학자 츠비키(Fritz Zwicky, 1898~1974)가 머리털자리 은하단에 있는 은하들의 움직임을 연구하면서부터이다. 이 은하들의 빠른 움직임을 설명하기 위해서는 측정할 수 있는 질량보다 400배 이상 되는 질량이 필요했다. 1970대에는 미국 천문학자 루빈(Vera Rubin, 1928~ )이 은하의 회전을 연구하고 은하의 물질들 중 적어도 반은 눈에 보이지 않는 암흑 물질이라는 것을 발견했다.

또한 암흑 물질이 존재한다는 증거는 중력 렌즈 현상에서도 발견할 수 있다. 중력 렌즈 현상은 빛에 중력이 작용하여 멀리 있는 은하에서 오는 빛이 가까이 있는 은하에 의해 휘어지는 현상을 말한다. 그 결과, 렌즈를 통해 은하를 보는 것처럼 먼 거리에 있는 은하의 형태와 위치가 뒤틀리게 된다. 중력 렌즈 효과에 의해 결정된, 충돌하는 두 은하의 질량 중심은 엑스선의 밝기를 이용해 측정한 광학적인 중심과 멀리 떨어져 있다. 이것은 아마도 충돌의 영향 때문일 것이다.

우주를 시작하도록 한 빅뱅 초기에 방출된 전파와 적외선을 3K 우주 마이크로파 배경 복사라고 부른다. 이런 우주배경복사를 자세히 이해하기 위해서도 많은 양의 암흑 물질이 필요하다.