Vera Rubin und Kent Ford verbrachten die 1970er an der Carnegie Institution of Washington damit, die Rotation Dutzender Spiralgalaxien zu vermessen. Die newtonsche Vorhersage war klar: Sterne weit vom galaktischen Zentrum sollten langsam umlaufen — die Rotationsgeschwindigkeit sollte keplersch wie 1/√r abfallen. Die Beobachtung war eine andere. Rubins Rotationskurven blieben in Galaxie um Galaxie flach, weit über die sichtbare Scheibe hinaus. Entweder war die newtonsche Gravitation auf galaktischen Skalen falsch, oder in den Galaxien steckte enorm viel mehr Materie als sichtbar — fünf- bis zehnmal mehr, in einem Halo verteilt. Die zweite Lesart ist die der Mehrheit. Gewöhnliche baryonische Materie macht nur rund 5 % des Energiehaushalts des Universums aus, und der Großteil des gravitierenden Universums besteht aus einer Form von Materie, die wir bis heute nie direkt nachgewiesen haben.
Der Fall für Kalte Dunkle Materie stützt sich auf vier weitgehend unabhängige Belegketten. Galaxien-Rotationskurven — Rubins Programm — zeigen, dass die gravitierende Masse jeder großen Galaxie weit über deren sichtbare Scheibe hinausreicht. Die Gravitationslinsen-Wirkung von Hintergrundgalaxien an vorgelagerten Haufen ist die zweite Linie: die linsende Masse übertrifft die sichtbare Haufenmasse um ein Mehrfaches, und der Bullet-Cluster — ein verschmelzendes Haufensystem, in dem das röntgenstrahlende heiße Gas räumlich von der linsenden Masse getrennt liegt — ist eine besonders saubere Signatur: die Linsenmasse fällt nicht mit dem Gas zusammen, was modifizierte Gravitationstheorien nur schwer erklären können. Die Strukturbildung ist die dritte: kosmologische N-Körper-Simulationen brauchen Kalte Dunkle Materie, um die beobachtete Galaxienverteilung auf allen Skalen zu treffen; das dominierende Modell heißt ΛCDM. Die CMB-Anisotropien sind die vierte: das von Planck gemessene Winkelleistungsspektrum der Temperaturschwankungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung passt zu ΛCDM und passt nicht zu rein baryonischen Universen. Alternativen mit modifizierter Gravitation — MOND, MOG und Nachfolger — erklären Teile der Daten gut, scheitern aber an der Bullet-Cluster-Signatur und am CMB-Leistungsspektrum. Die Mehrheitsmeinung lautet: Dunkle Materie existiert, auch wenn ihre Teilchenphysik bisher nicht identifiziert ist. Die führenden Kandidaten sind WIMPs (schwach wechselwirkende massereiche Teilchen, von einigen supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt), Axionen (sehr leichte pseudoskalare Teilchen, die unabhängig durch das starke CP-Problem in der QCD motiviert sind) und primordiale Schwarze Löcher. Direktnachweis-Experimente — LZ, XENONnT, PandaX — haben WIMPs über den kanonischen Massenbereich trotz vierzig Jahren immer empfindlicherer Suchen nicht gefunden. ADMX tastet den Axion-Massenbereich mit Hohlraum-Haloskopen ab; Microlensing-Durchmusterungen begrenzen primordiale Schwarze Löcher. Indirektnachweis-Programme (Gammastrahlen mit Fermi-LAT, Neutrinos mit IceCube) liefern starke Schranken. Die Kluft zwischen Belegen für Dunkle Materie (erdrückend) und Identifizierung von Dunkler Materie (null) ist selbst eine substanzielle Einschränkung dessen, was Dunkle Materie sein kann.
Zwei neue Richtungen formen die Suche um. Die erste sind Axion-Experimente mit neuer Empfindlichkeit — ADMX-G2, HAYSTAC, MADMAX — die Massenbereiche abdecken, die vor einem Jahrzehnt unerreichbar waren; ein Axion-Nachweis würde zugleich das starke CP-Problem und die Frage der Dunklen Materie lösen. Die zweite ist die gravitationswellenbasierte Beobachtung von Verschmelzungen primordialer Schwarzer Löcher als Schranke für dieses Szenario. Bis 2024 hat keines der beiden seinen Kandidaten gefunden. Dunkle Materie ist das zentrale offene Problem der heutigen Fundamentalphysik, mit der größten Einzelförderlinie des Fachs, und vier Jahrzehnte erfolglose Suche haben begonnen, die Wetten zu verschieben, die man zu setzen bereit ist. Die kommenden zehn bis fünfzehn Jahre sollten Klarheit bringen.