Tumšā matērija ir noslēpumaina matērijas forma, kas iedarbojas uz parasto vielu gravitācijas ceļā, taču to nevar novērot ar citiem līdzekļiem. Lai gan parastos matērijas mākoņus var noteikt, izmantojot to zvaigžņu aktivitāti, gaismas izkliedi, radio emisijas un citus līdzekļus, tumšās vielas mākoņi ir neredzami lielākajai daļai mūsu instrumentu. Tomēr tie veido 90–99% no Visuma matērijas.
Trīsdesmitajos gados astronomi Frics Cvikijs un Sinklers Smits veica galaktiku ātruma analīzi lielajās galaktikas kopās Jaunava un Koma. Viņi atklāja, ka visas galaktikas pārvietojas no desmit līdz simts reižu ātrāk, nekā tām vajadzētu būt, ņemot vērā aplēses, kas balstītas uz novēroto zvaigžņu blīvumu. Kaut kas neredzēts radīja papildu gravitāciju.
Lai gan šķita, ka Cvikija un Smita sākotnējie novērojumi sniedz pārliecinošus pierādījumus par tumšo vielu, ne visi kosmologi bija pārliecināti. Tā kā šīs galaktikas kopas atradās tik tālu, bija grūti precīzi izmērīt katras galaktikas neatkarīgos ātrumus tikai desmitgadēs. Spēcīgāki pierādījumi tika iegūti 70. gados, kad tādi zinātnieki kā Rubins, Frīmens un Pībls sāka analizēt galaktiku rotācijas līknes. Zvaigznes spirālveida galaktikās, piemēram, mūsu pašu, ap galaktikas kodolu pārvietojās ātrāk, nekā liecinātu to novērojamā masa.
Galu galā tika atklāts, ka visās galaktikās ir tumšās vielas halos, kas stiepjas tālu aiz galaktikas robežām, kas norādītas caur teleskopu. Tiek uzskatīts, ka šos oreolus veido MACHO (masīvie astrofiziski kompaktie halo objekti) un WIMP (vāji mijiedarbojošās masīvās daļiņas). Tiek uzskatīts, ka MACHO galvenokārt ir melnie caurumi un brūnie punduri (izdegušas zvaigznes). Tos veido parastā jeb barioniskā viela – mums pazīstamie atomi, tikai ļoti saspiesti. Tiek uzskatīts, ka WIMP ir nebarioniskas matērijas formas, vāji mijiedarbīgas daļiņas, kas pārvietojas ar relatīvismu ātrumu. Visticamākais WIMP kandidāts ir neitrīno un tā radinieki.