1933 yılında İsviçreli gökbilimci Fritz Zwicky, Koma adı verilen büyük bir galaksi kümesini inceliyordu. Zwicky, kümedeki galaksilerin hızlarını ölçerek kümenin toplam kütlesini hesaplamaya çalıştı. Galaksiler çok hızlı hareket ediyordu. Bu kadar hızlı hareket eden galaksilerin kümeden kaçmaması için kümenin, görünür yıldızlarının ve galaksilerinin toplam kütlesinden çok daha büyük bir kütleye sahip olması gerekiyordu. Zwicky, kümede gözle görülmeyen büyük miktarda madde bulunması gerektiği sonucuna vardı ve bu maddeye karanlık madde adını verdi.

Zwicky'nin bu cesur önerisi, uzun yıllar boyunca pek ilgi görmedi. Gözlemlerinde bazı belirsizlikler vardı ve pek çok gökbilimci, bu tutarsızlığın ölçüm hatalarından ya da bilinmeyen sıradan maddelerden kaynaklanabileceğini düşündü. Karanlık madde fikrinin ciddiye alınması, ancak yetmişli yıllarda Amerikalı gökbilimci Vera Rubin ve meslektaşlarının çalışmalarıyla mümkün oldu. Rubin, sarmal galaksilerin dönüş hızlarını inceleyerek Zwicky'nin öngörüsünü destekleyen çok daha güçlü kanıtlar ortaya koydu.

Rubin'in gözlemlerinin önemini anlamak için Güneş Sistemi'ni düşünmek yararlıdır. Güneş Sistemi'nde kütlenin neredeyse tamamı Güneş'te toplanmıştır. Bu nedenle Güneş'e yakın gezegenler hızlı, uzaktaki gezegenler ise yavaş hareket eder. Merkür, Güneş'in çevresinde Neptün'den çok daha hızlı döner. Gökbilimciler, galaksilerde de benzer bir durum bekliyordu. Bir galaksinin görünür kütlesinin büyük bölümü merkezinde yoğunlaşmış olduğu için, galaksinin dış bölgelerindeki yıldızların daha yavaş dönmesi gerekirdi.

Rubin'in ölçümleri ise bu beklentinin tam tersini gösterdi. Galaksilerin dış bölgelerindeki yıldızlar, merkeze yakın yıldızlar kadar hızlı dönüyordu. Bu kadar hızlı dönen yıldızların galaksiden fırlayıp gitmemesi için, galaksinin görünür kütlesinin çok ötesinde ek bir kütle tarafından bir arada tutulması gerekiyordu. Bu ek kütle, galaksinin görünür diskinin çok ötesine uzanan, görünmeyen bir hale biçiminde dağılmış olmalıydı. Rubin ve meslektaşları, bu durumu pek çok farklı galakside gözlemledi.

O tarihten bu yana karanlık maddenin varlığını destekleyen kanıtlar giderek arttı. Bu kanıtlardan biri, kütle çekimsel merceklenme adı verilen olgudur. Einstein'ın genel görelilik kuramına göre büyük kütleler, yakınlarından geçen ışığın yolunu büker. Uzak galaksilerden gelen ışık, arada bulunan büyük bir galaksi kümesinin yakınından geçerken bükülür ve uzak galaksinin görüntüsü bozulur ya da çoğalır. Bu bozulmaların büyüklüğü, aradaki kümenin toplam kütlesini ölçmeye olanak tanır. Bu ölçümler de kümelerde görünür maddenin çok ötesinde bir kütle bulunduğunu göstermektedir.

Karanlık maddeye ilişkin en çarpıcı kanıtlardan biri, iki galaksi kümesinin çarpışmasından gelir. Mermi kümesi adı verilen bir sistemde, iki küme birbirinin içinden geçmiştir. Kümelerdeki sıcak gaz, çarpışma sırasında birbirine sürtünerek yavaşlamış ve kümelerin merkezinde kalmıştır. Kütle çekimsel merceklenme ölçümleri ise kümelerin kütlesinin büyük bölümünün bu gazla birlikte değil, gazdan ayrılarak ilerleyen bölgelerde bulunduğunu gösterir. Bu durum, kümelerin kütlesinin büyük kısmını oluşturan bir maddenin, sıradan madde gibi davranmadığını ve birbirine çarpmadan geçip gittiğini düşündürür.

Peki karanlık madde nedir? Bu sorunun yanıtı henüz bilinmemektedir. Bilim insanları başlangıçta karanlık maddenin, sönük yıldızlar, gezegenler ya da kara delikler gibi görünmeyen sıradan cisimlerden oluşabileceğini düşündü. Ancak yapılan gözlemler, bu tür cisimlerin karanlık maddenin yalnızca çok küçük bir kısmını açıklayabileceğini gösterdi. Bugün en yaygın görüş, karanlık maddenin henüz keşfedilmemiş bir tür temel parçacıktan oluştuğudur. Bu parçacıklar, kütle çekimi aracılığıyla etkileşir; ancak ışıkla ve sıradan maddeyle neredeyse hiç etkileşmez.

Bu gizemli parçacıkları yakalamak için dünyanın dört bir yanında son derece hassas deneyler yürütülmektedir. Bu deneylerin önemli bir kısmı, kozmik ışınların etkisinden korunmak için madenlerin ya da dağların yüzlerce metre altına kurulmuştur. Araştırmacılar, karanlık madde parçacıklarının dedektörlerdeki atom çekirdeklerine çok nadiren çarparak bırakacağı küçük izleri yakalamayı umuyor. Ayrıca parçacık hızlandırıcılarında karanlık madde parçacıklarının üretilmesi de denenmektedir. Ancak onlarca yıldır süren bu çabalara karşın karanlık madde parçacıkları henüz doğrudan tespit edilememiştir.

Bazı bilim insanları ise karanlık madde yerine farklı bir açıklama önermektedir. Bu görüşe göre gözlemlenen tutarsızlıkların nedeni, görünmeyen bir madde değil, kütle çekimi yasalarının çok büyük ölçeklerde ve çok zayıf çekim alanlarında farklı davranmasıdır. Bu alternatif kuramlar bazı galaksilerin dönüş hızlarını başarıyla açıklayabilse de galaksi kümelerinin çarpışması ve evrenin büyük ölçekli yapısı gibi gözlemleri açıklamakta zorlanmaktadır. Bu nedenle bilim insanlarının büyük çoğunluğu, karanlık madde açıklamasını daha güçlü bulmaktadır.

Mevcut gözlemlere göre karanlık madde, evrendeki toplam maddenin yaklaşık beşte dördünü oluşturur. Başka bir deyişle yıldızlar, gezegenler, gaz bulutları ve bedenlerimiz gibi bildiğimiz sıradan madde, evrendeki maddenin yalnızca küçük bir bölümüdür.

Karanlık madde, modern bilimin en büyük bilmecelerinden biridir. Evrenin büyük bölümünü oluşturan bir şeyin ne olduğunu bilmememiz, bilimsel bilgimizin ne kadar ilerlemiş olursa olsun hâlâ ne kadar çok şeyi keşfetmemiz gerektiğini hatırlatır.