암흑물질의 존재는 그것의 중력 효과에 의해서 알 수 있다. 은하들의 고유운동을 보면 가까이 있는 은하들이 놀라운 속도로 움직일 뿐만 아니라, 우리 은하 자체도 전체 우주의 팽창과는 무관하게 500Km/s의 속도로 움직이고 있다. 우주의 팽창은 전체적으로 부드럽고 조용하게 일어나며 거기서 벗어나는 큰 움직임이 있을 수 없다는 것이 중론이지만 우리 은하는 어떤 힘에 의해서 먼 곳에 있는 은하단에 끌려가는 것처럼 보인다. 나선은하는 평평한 원반 모양으로 대부분의 항성들이 극도로 밝은 빛을 내는 중심부에 모여있다. 나선팔에 위치한 항성들은 모두 같은 방향으로 거대한 질량 중심 주위를 돌고 있다. 이런 모습은 행성들이 질량이 큰 태양 주위를 같은 방향으로 돌고 있는 것과 유사하다. 태양계 행성들은 뉴턴의 운동 법칙에 따라 태양으로부터 거리가 멀수록 느리게 공전한다.
천문학자들은 은하의 형태로 보아 은하의 중심에 은하의 질량이 집중되어 있고 가장자리에는 별이 거의 없으므로 질량이 존재하지 않는다 믿었다. 중심에 가까워질 수록 회전 속도가 높을 것이라고 보고 있었다. 은하 바깥쪽의 별이 없는 지역은, 즉 질량의 증가가 없는 곳에서는 거리가 증가하면 회전 속도는 감소해야 하지만 여전히 속도를 유지함으로써 관측되지 않은 어떤 질량을 가지는 물질이 있을 것이다. 별이 관측되지 않는 곳에서는 이 사실은 너무도 받아들이기 어려워 일부학자들은 장거리에 대해서는 뉴턴의 중력법칙을 수정하는 수밖에 없다고 제안했지만 요즘에는 은하 주위의 암흑물질의 존재로 설명한다. 눈에 보이지 않는 질량이 은하의 가장자리 훨씬 너머까지 뻗어 있어 우리가 보는 항성은 눈에 보이지 않는 엄청난 양의 질량 속에 빠져 있는 셈이다. 은하의 음영이 눈에 보이는 은하 직경의 30배 가량 된다고 생각하고 있다. 은하단 내에 있는 은하들은 은하단의 질량 중심 주위를 공전한다.
어느 한 은하의 궤도 전체를 추적하기란 불가능하다. 그러나 은하단 내에서 은하가 움직이는 속도를 측정하거나 각 은하가 우주 공간으로 흩어져 나가지 않게 하기 위해서는 은하단의 전체 질량이 얼마이어야 하는가를 추산하는 일은 가능하다. 관측에서 은하단 내에 있는 암흑 물질의 총량은 어쩌면 은하들 자체에 포함된 물질의 양을 초과하는것으로 관측된다. 이것은 암흑 물질이 은하 내뿐만 아니라 은하들 사이에도 존재함을 암시하는 것이다. 나선 은하의 중력 안정도에 대하여 산출한 계산 결과는 현재 알려진 구조의 은하가 그 정도 속도로 회전한다면 균일하지 않는 구조로 인해 진동이 발생하여 산산조각으로 부서질 것이라는 사실을 암시하고 있다. 그러나 만약 우리 눈에 보이는 원반이 훨씬 커다란 거대한 질량 속에 파묻혀 있다면 이러한 진동은 약화되고 나선 은하는 안정성을 유지할 수 있을 것이다. 우리 은하의 존재 자체가 보이지 않는 물질의 존재를 입증하는 증거라고 추측하고 있다. 필요한 중력을 얻기 위해서는 눈에 보이는 것의 10배 정도의 질량이 있어야 한다. 그렇지 않다면 은하단은 이미 폭발해 버렸을 것이다. 우주는 팽창하고 있으나 팽창이 완벽하게 균일한 것은 아니다. 어떤 은하들은 조금 빠르게 어떤 은하들은 느리게 우리에게서 멀어진다. 만약 어떤 풍부한 은하단과 가깝고 바깥쪽에 위치하는 은하가 있다면, 이 은하는 은하단의 중력 때문에 팽창하여 멀어지는 속도가 느려질 것이다. 정상적인 팽창으로부터의 편차를 측정하면 대형 은하단에 포함된 질량의 전체 양을 추산할 수 있다.
암흑물질은 보통 물질이 아닐 것이다. 그렇지 않다면 우주에 중수소의 양이 그렇게 많을 수가 없다. 중수소는 빅뱅 후 최초의 몇 분 동안 생성된 수소의 동위원소이다. 핵합성 이론에 따르면, 생성되는 양은 정상 물질의 밀도에 따라 달라진다고 한다. 정상 물질의 밀도가 높으면 높을 수록 중수소의 생성량은 적어진다. 현재까지 알려진 바에 의하면, 빅뱅 이후에는 별들에서 중수소가 생성되지는 않고 파괴될 뿐이라고 한다. 현재 우주에 있는 중수소의 양은 스펙트럼 측정으로부터알 수 있다. 그 결과 정상 물질이 눈에 보이는 것보다 10배 이상 더 많이 있을 수는 없다는 결론에 이른다. 그렇지만 그것으로는 은하단의 운동을 설명하기에 충분치 못하며, 팽창우주론에 의해 요구되는 임계밀도에 도달하기 위해 필요한 양의 겨우 4%밖에 안 된다. 만약 우주에 충분한 양의 질량이 있다면 중력의 힘은 미래의 어느 날 빅뱅 이후의 팽창을 정지시키고 심지어는 팽창의 과정을 역전시켜 대함몰에 이르게 될 것이다. 그러나 이런 일이 벌어질 만큼 질량이 충분치 않다면 팽창은 끝없이 계속될 것이고 우주의 온도 또한 계속 떨어질 것이다. 이러한 현상을 흔히 빅칠이라고 부른다. 만약 우주 질량의 밀도가 영원한 축소와 영원한 팽창이 갈라지는 분기점에서 정확하게 평형을 유지한다면, 팽창은 속도가 느려지고 이윽고 정지한 다음 결코 수축이 일어나지 않을 것이다.
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