A sötét anyag egy hipotézis. Megértéséhez azt kell áttekintenünk, milyen csillagászati megfigyelések hívták életre, és milyen szerepet szántak neki a kutatók.

A Naprendszer valamennyi égiteste a Nap körül kering, mozgásukat pedig a Johannes Kepler német csillagász által a 17. században megfogalmazott három törvény írja le. Kepler harmadik törvénye szerint egy bolygó keringési sebessége a Naptól való távolságától függ: minél messzebb van, annál lassabban halad, és annál hosszabb idő alatt kerüli meg a Napot.

A Merkúr például mindössze két és fél földi hónap alatt tesz meg egy teljes kört, a Jupiternek ehhez 12 földi évre van szüksége. A Naprendszer legkülső nagybolygóján, a Neptunuszon egy év 164 földi évig tart.

A csillagászok sokáig magától értetődőnek tartották, hogy más égitestek mozgására is ugyanúgy érvényesek Kepler törvényei, mint a Naprendszer bolygóira. A 20. századi megfigyelések azonban meglepő eltérést tártak fel.

Galaxisunk, a Tejútrendszer több mint 200 milliárd csillagot tartalmaz. Valamennyi – köztük a Nap is – a galaktikus középpont körül kering, amely a Nyilas csillagkép irányában található. A Nap egy teljes galaktikus fordulatot, vagyis egy „galaktikus évet” mintegy 250 millió év alatt tesz meg.

Kepler törvényei alapján arra lehetne számítani, hogy a középponthoz közelebbi csillagok gyorsabban, a Napnál távolabb elhelyezkedők pedig lassabban keringenek. A megfigyelések szerint azonban a csillagok keringési sebessége nem változik így a galaktikus középponttól mért távolsággal.

A jelenség kívülről úgy fest, mintha a csillagok nem üres térben mozognának, hanem valamilyen láthatatlan anyag rugalmas szálai kapcsolnák őket össze.

Ez komoly nehézséget jelentett a fizikusoknak és a csillagászoknak. Kepler törvényeinek megkérdőjelezése Newton egyetemes tömegvonzási törvényét is érintené, miközben a megfigyelések azt mutatták, hogy a galaxis középpontja körül keringő csillagok mozgása nem felel meg az egyszerű várakozásoknak.

A probléma feloldására a kutatók egy feltételezett anyagformát vezettek be, amely tömegével biztosíthatja azt a többletvonzást, amely összetartja a galaxist. Ezt nevezték el sötét anyagnak.

A név nem azt jelenti, hogy ez az anyag fekete. Feltételezett legfontosabb tulajdonsága, hogy van tömege, ám nem lép kölcsönhatásba az elektromágneses sugárzással, így sem fényben, sem rádióhullámokkal, sem röntgensugarakkal nem figyelhető meg. Ebben az értelemben teljesen átlátszó és láthatatlan.

A rádióhullámokat ugyan a szemünkkel nem érzékeljük, adó- és vevőkészülékekkel mégis kimutathatjuk őket. A sötét anyag esetében erre nincs lehetőség: az elektromágneses spektrum egyik tartományában sem válik láthatóvá.

Az elképzelés szerint elektromos kölcsönhatás révén sem kapcsolódik világunk molekuláihoz, ezért tapintással sem érzékelhető. A számításokból ráadásul az következik, hogy a világegyetemben körülbelül ötször annyi sötét anyagnak kell lennie, mint közönséges anyagnak.

Mivel tömege van, azt gondolhatnánk, hogy a közönséges anyaghoz hasonlóan a galaxis középpontjában sűrűsödik össze. A számítások azonban ennek ellenkezőjére utalnak: inkább a galaxis külső részein koncentrálódik.

Ha valóban így van, akkor valamennyi sötét anyagnak a Naprendszerben is jelen kellene lennie. A megfigyelések és számítások szerint azonban közvetlen környezetünkben vagy egyáltalán nincs belőle, vagy csak elenyészően kevés.

Szokatlan tulajdonságai miatt sok kutató ma is kételkedik abban, hogy a sötét anyag valóban létezik-e. Számos közvetett jel szól mellette, közvetlen bizonyítékot azonban mindeddig nem sikerült találni.

A fizikában korábban is születtek hasonló hipotézisek. Egykor a hőt láthatatlan és megfoghatatlan folyadéknak, úgynevezett kalorikumnak tartották. A tudósok túlnyomó többsége a „világéter” létezéséről is meg volt győződve: ezt a feltételezett közeget tartották szükségesnek a fény és más elektromágneses hullámok terjedéséhez. A 20. század elején azonban új fizikai elméletek tették feleslegessé az éter fogalmát.

Hogy a sötét anyag is hasonló sorsra jut-e, vagy egyszer közvetlenül is sikerül bizonyítani a létezését, arra a jövő kutatásai adhatnak választ.