Sono molte le prove sperimentali a favore dell'esistenza nell'Universo di materia oscura.

• Moto delle stelle in una galassia. Le galassie a spirale hanno un nucleo centrale denso di stelle e bracci a spirale avvolti attorno al nucleo che seguono il verso di rotazione dell'intera struttura. Ogni stella appartenente alla galassia ruota con una propria velocità intorno al centro. Da semplici considerazioni, ci si aspetta  che, a grandi distanze dal centro galattico, tali per cui la galassia possa essere assimilata sostanzialmente ad un'enorme massa concentrata, la velocità tangenziale di una stella decresca all'aumentare della distanza.
  Un andamento analogo della velocità con la distanza si ha anche per i pianeti del sistema solare: quelli più vicini al sole sono più veloci di quelli più lontani.
  La Fig. 1 mostra i valori misurati delle velocità tangenziali delle stelle attorno al centro della galassia M33 (punti gialli) in funzione della loro distanza dal centro. Si  trova un andamento crescente della velocità e, non decrescente come nelle aspettative (linea tratteggiata).
  La spiegazione più accreditata della maggiore velocità delle stelle esterne presuppone la presenza di materia non visibile diffusa nell'alone di ogni galassia, compresa la nostra, la Via Lattea.

Fig. 1: Velocità tangenziale delle stelle attorno al centro della galassia M33 in funzione della distanza dal centro. I punti con le barre di errore sono le misure sperimentali; sui punti è riportata la curva che meglio riproduce la dipendenza dalla velocità. La linea tratteggiata rappresenta la decrescita della velocità che ci si aspetta per le relativamente poche stelle che si trovano a distanze superiori alla dimensione media della galassia. Per maggiore chiarezza, l'immagine ottica della galassia è stata sovrapposta al grafico.

• Moto delle galassie nei grandi ammassi. Gli ammassi di galassie sono raggruppamenti di galassie. Come giá menzionato al riguardo delle prime evidenze di materia oscura, calcolando l'ammontare di massa dell'ammasso dal moto delle galassie nel gruppo, si trova che, se l'ammasso contenesse solamente la massa osservabile, la forza gravitazionale non sarebbe sufficiente ad evitare la fuga delle galassie dall'ammasso. Questo ci fa supporre che esista  ulteriore materia oscura fra le galassie di un ammasso. 
   
• Presenza di nubi di gas nelle parti più esterne delle galassie e nello spazio fra galassie. Studiando i confini esterni delle galassie dove vi sono pochissime stelle e quindi la luminosità dovuta alle stelle è trascurabile, si sono osservate enormi nubi di gas confinato nell'ammasso (Fig. 2). Per spiegare come mai queste nubi non si disperdano nello spazio occorre supporre l'esistenza di materia oscura con una distribuzione diversa dalla distribuzione dedotta dalla sola componente luminosa. Potrebbero esistere anche galassie di materia oscura? Da studi recenti risulta che la materia visibile gassosa nella forma di aloni si estende ben oltre i confini delle galassie visibili. Per essere osservabile un gas deve essere riscaldato. Chi o cosa lo riscalda?

Fig. 2: Immagine a raggi X presa dal satellite ROSAT sovrapposta ad una fotografia di un gruppo di galassie. L'immagine mostra, in falso colore rosa, una gigantesca nube di gas "caldo" che emette una debole quantità di raggi X. La presenza di questo gas fa supporre una forte attrazione gravitazionale in grado di mantenerlo confinato; la  sola massa delle galassie visibili non sarebbe sufficiente. Deve quindi essere materia oscura diffusa fra le galassie di un ammasso. (Credit:Dr. R.Mushotzky Nasa Goddard Space Flight Center)

Si conclude che esistono forti indicazioni per l'esistenza di molta materia oscura diffusa posta in aloni attorno ad ogni  galassia  e fra le galassie di un ammasso.