Đặt tên là "vật chất tối" khiến nó nghe như một giả định tuỳ tiện. Thực tế nó là kết luận khó chịu nhất mà giới thiên văn buộc phải chấp nhận sau khi các cách giải thích khác lần lượt thất bại.

Đường cong quay của thiên hà

Theo cơ học Newton, sao ở rìa thiên hà phải quay chậm hơn sao ở trong, giống các hành tinh xa quay chậm hơn hành tinh gần. Vera Rubin đo vào thập niên 1970 và thấy chúng quay gần như cùng tốc độ. Hoặc có thêm khối lượng ta không thấy, hoặc hấp dẫn hoạt động khác ở quy mô lớn.

Thấu kính hấp dẫn

Khối lượng bẻ cong đường đi của ánh sáng. Đo độ méo hình ảnh của các thiên hà nền phía sau một cụm thiên hà cho ta bản đồ khối lượng của cụm đó — không cần biết nó phát sáng hay không. Bản đồ đó luôn nặng hơn tổng khối lượng nhìn thấy nhiều lần.

Cụm Đạn

Đây là quan sát khó bác bỏ nhất. Hai cụm thiên hà đâm xuyên qua nhau. Khí nóng — phần lớn khối lượng nhìn thấy — bị cản lại ở giữa, còn tâm khối lượng đo bằng thấu kính hấp dẫn thì đi tiếp cùng các thiên hà. Khối lượng đã tách khỏi vật chất phát sáng.

Cộng thêm bức xạ nền vi sóng vũ trụ và mô hình hình thành cấu trúc, cả năm hướng độc lập đều cho tỉ lệ tương tự: vật chất thường chỉ chiếm khoảng một phần sáu tổng vật chất.