Il Telescopio Spaziale Hubble ha mostrato che nel cielo, in una dimensione angolare pari a quella sotto cui è vista la luna, vi sono milioni di galassie. Da molte misure di questo tipo si riesce a stimare che nell'Universo vi siano circa 100 miliardi di galassie e che ciascuna di esse sia in media composta di circa 100 miliardi di stelle!
Questa enorme quantità di materia è in realtà poca cosa quando la si confronta con la materia oscura, sia essa materia oscura "ordinaria" oppure "esotica".

L'ammontare nell'Universo di materia ordinaria o barionica (cioè costituita di protoni e neutroni), sia visibile che oscura,  può essere stimata sulla base della quantità relativa di deuterio e di elio presente oggi e presente circa tre minuti dopo il Big Bang. Se allora vi fosse stata molta materia barionica, le collisioni fra nucleoni prima, e fra nuclei poi, sarebbero state molto probabili nei primi attimi dell'Universo e la frazione di deuterio dovrebbe essere ora molto piccola perché i nuclei di deuterio danno luogo ad elio; se invece la materia barionica fosse poca, allora la quantità di deuterio dovrebbe essere relativamente più abbondante.
Dalle misure più recenti delle attuali quantità relative di deuterio e di elio, si deduce che la materia barionica presente nell'Universo sia circa solo un settimo di quella necessaria per tenere legate le stelle nelle galassie e le galassie negli ammassi. Con metodi indiretti gli astrofisici hanno inoltre stimato che la materia barionica che non emette luce visibile sia circa 9 volte quella che emette luce visibile.
Di cosa è composta? Si tratta di enormi nubi di gas nei grandi ammassi di galassie, di " buchi neri " provenienti dal collasso di stelle e anche di buchi neri massicci al centro delle galassie , di stelle "morte" ( nane bianche, stelle di neutroni, ...), di oggetti di dimensioni planetarie, indicati con il nome generico di MACHO (MAssive Compact Halo Objects), ecc..
Da quanto detto finora, risulta chiara la necessità di ipotizzare l'esistenza di materia oscura non barionica.

Si pensa che l'Universo contenga un gran numero di neutrini,  particelle ben note nel campo della fisica delle particelle elementari, che sarebbero stati prodotti nelle prime fasi di vita dell'Universo. Essi sono un po' "particelle fantasma" perché hanno carica elettrica nulla e raramente interagiscono con la materia ordinaria.
Misure di precisione effettuate con acceleratori di particelle hanno mostrato l'esistenza di tre tipi diversi di neutrini.

	Fig. 2: Rappresentazione artistica della produzione di neutrini atmosferici da parte di raggi cosmici. (Credit: INFN-Notizie N.1 giugno 1999)

Gli esperimenti Kamiokande e Superkamiokande in Giappone Macro al Gran Sasso, e Soudan 2 negli Stati Uniti hanno presentato risultati sui cosidetti "neutrini atmosferici", risultati che suggeriscono fortemente che un neutrino di un tipo può trasformarsi in un neutrino di un altro tipo (oscillazioni dei neutrini); questo può avvenire solo se i neutrini hanno massa non nulla. Si arriva alla stessa conclusione anche per i neutrini provenienti dal sole (esperimenti Homestake negli USA, GALLEX al Gran Sasso, SNO in Canada, ...). La massa stimata per i neutrini è però molto piccola; moltiplicandola per il gran numero di neutrini presenti nell'Universo si ottiene un contributo alla massa totale dell'Universo poco meno della materia visibile.
Il contributo di neutrini dotati di massa non cambia quindi la situazione, tanto più che il loro effetto è ridotto dal fatto che, possedendo una velocità molto prossima a quella della luce, possono giocare un ruolo solo nel tenere legati grandissimi ammassi di galassie, ma non i normali ammassi, né tanto meno le stelle in una galassia. Anche se non è stato possibile rivelarli sperimentalmente, si pensa che la loro energia media sia grande rispetto alla massa e quindi la loro velocità sarebbe circa quella della luce. Si dice che i neutrini costituiscono parte della materia oscura calda.

Sembra inoltre necessario ipotizzare che negli aloni delle galassie vi siano particelle di massa relativamente grande che viaggino con una tipica velocità galattica, di circa un millesimo della velocità della luce (si parla di materia oscura fredda).
I fisici cercano da tempo di produrre tali particelle agli acceleratori di alta energia, ma finora non ne hanno osservate, il che potrebbe implicare che debbano essere molto massive; tali ricerche proseguiranno agli acceleratori futuri aventi energie molto maggiori.
D'altra parte i fisici astroparticellari cercano tali particelle nella radiazione cosmica, utilizzando sofisticati rivelatori dove tali particelle dovrebbero interagire. Data la rarità di queste possibili interazioni occorre ridurre al minimo ogni tipo di fondo, quale quello  legato ai raggi cosmici carichi, e alla radioattivitá ambientale. I rivelatori devono quindi essere localizzati in laboratori sotterranei.

Ma quali  potrebbero essere queste fantomatiche particelle massive che viaggiano così lentamente? I fisici teorici ne hanno ipotizzate parecchie.
La più strana è forse il neutralino che sarebbe la particella supersimmetrica elettricamente neutra con massa più bassa. La predizione dell'esistenza di super-particelle (s-particelle) è basata su una possibile simmetria bosone- fermione, che dice che ad ogni particella con spin semintero (come l'elettrone, i quarks, i neutrini, ...) deve corrispondere una s-particella avente spin intero (s-elettrone, s-quark, s-neutrino, ...); analogamente ad ogni particella ordinaria con spin intero (es. il fotone) deve corrispondere una s-particella con spin semintero (es. il  fotino). Il candidato più accreditato per spiegare la materia oscura fredda è il neutralino, una s-particella che può essere considerata come un miscuglio di s-particelle che sono partner supersimmetriche del fotone, del bosone Z ⁰ e di due bosoni di Higgs.

Un'altra possibilità potrebbe essere costituita dai nucleariti, agglomerati di quarks u, d ed s. Gli ordinari nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni a loro volta costituiti di quarks u, d. Nei nucleariti non vi sarebbe l'equivalente dei protoni e neutroni, ma i quarks u,d,s, sarebbero liberi di muoversi all'interno di tutto il nuclearite. I nucleariti avrebbero densità più elevata dei nuclei ordinari e sarebbero stabili anche per masse molto più elevate di quelle dei nuclei di uranio.

Un'altra possibilità potrebbe essere costituita da monopoli magnetici, ipotetiche particelle dotate di carica magnetica. Essi possono essere accelerati nel campo magnetico galattico e avere quindi uno spettro di velocità.

Vi sono anche altri candidati: per es. gli assioni, ipotizzati per rimuovere un problema del Modello Standard delle particelle. Gli assioni avrebbero massa piccolissima, ve ne sarebbero tantissimi e avrebbero una velocità di circa un millesimo della velocità della luce; essi vengono cercati tramite rivelatori funzionanti come ricevitori di microonde.