Įsivaizduokite, kad yra baseinas, pertvara padalintas į dvi dalis, o kiekvienoje iš jų – skirtingas vandens lygis. Ištraukus pertvarą, vanduo susilies ir nusėdus bangoms, vanduo nusistovės naujame lygyje. Berenikės Garbanų spiečius atrodė visiškai užbaigtas: teisingas greičių pasiskirstymas, viskas idealu, išskyrus vieną dalyką — spiečiui katastrofiškai trūko masės.
Panagrinėkime nesusijusį, bet iš tiesų labai panašų pavyzdį — Saulės sistemą. Ją sudaro planetos, skriejančios apie Saulę. Čia irgi viskas virializuota, viskas juda stacionariomis orbitomis, ir praktiškai niekas nesikeičia – mūsų Žemė sukasi apie Saulę maždaug 30 km/s greičiu. O dabar įsivaizduokite, kad 90% Saulės dingo ir liko tik 10%. Tada jos gravitacijos jau nepakaktų – Žemė neišsilaikytų savo orbitoje ir nuskrietų praktiškai tiesiai į kosmoso tamsą.
Būtent tokį vaizdą 1933 metais išvydo F. Zwicky. Jis spėjo, kad iš tiesų, be žvaigždžių, dujų ir kitų regimų komponentų, Berenikės Garbanų galaktikų spiečiuje yra dar kažkokia slapta masė. Jis ją pavadino ― tamsiąją materija. Tačiau tuomet šiuo atradimu ne visi patikėjo, ir labai ilgai jo niekas nenagrinėjo. Būta kitų paaiškinimų: spėta, kad buvo neteisingai paskaičiuota žvaigždžių masė, ir galų gale, spiečius tikriausiai tiesiog sklaidosi. Tai buvo keista, nes jei spiečius iš tiesų sklaidytųsi, tai būtų padaręs daug greičiau, nei per visą Visatos amžių. Bet vėliau, kuomet buvo tyrinėjamos tarpusavyje sąveikaujančios galaktikos – kilo problemų. Kai kuriose knygose, net ir mokslo populiarinimo, jau buvo rašoma, kad egzistuoja kažkokios, mokslo dar neatrastos, jėgos.
Aštuntojo dešimtmečio gale tamsioji materija buvo atrasta. Grupė astronomų radioteleskopu stebėjo atskiras galaktikas. Jie žiūrėjo, kaip objektų — žvaigždžių arba dujų — sukimasis apie galaktikos centrą priklauso nuo atstumo. Užtenka mokyklinės fizikos, kad žinant greitį ir spindulį, būtų galima nustatyti to spindulio viduje esančią masę. Stebėjimo metu buvo nustatytas stulbinantis dalykas: tolstant nuo galaktikos centro, žvaigždžių skaičius visada mažėja ir periferijoje jų visiškai nėra, ten skrieja tik atskiros dujų sankaupos, kurios radioteleskopais dar matomos. Taigi, net stebint šias dujų driekanas, galima nustatyti, kad didėjant radiusui, didėja ir galaktikos masė. Šis atradimas privertė mokslininkus tikėti, kad kažkokia tamsioji materija egzistuoja.
Tiesa, buvo iškelta prielaida, kad antrasis Niutono dėsnis yra neteisingas. Kad iš tiesų pagreitis nėra tiesiogiai proporcingas kūną veikiančiai jėgai, ir kad tam dar reikia mažos pataisos. Pagreičiai, su kuriais šiuo atveju susiduriame, labai maži ir Žemėje jų nepastebime. Todėl manyta, kad reikia arba modifikuoti mechanikos mokslo dalį, kuri nagrinėja kūnų judėjimo greičio kitimo priežastis – dinamiką, arba tarti, kad yra nežinoma tamsioji materija, kitaip sakant, slapta masė.
Kurį laiką šios versijos buvo lygiavertės, tačiau stebėjimų duomenys pamažu kaupėsi ir tapo aišku, kad tai – būtent slaptoji masė, arba tamsioji materija.Svarbiausi čia buvo du stebėjimai: visų pirma, buvo išmatuotas reliktinio spinduliavimo fonas, tai yra, spinduliavimo, susidariusio tada, kai nei žvaigždžių, nei galaktikų nebuvo, o Visata buvo užpildyta vienalytėmis dujomis. Nuo dujų atsiskyrusį spinduliavimą galime stebėti iki šiol, dabar jo temperatūra maždaug 3 kelvinai, ir pagal šio spinduliavimo netolygumą galime spręsti, kiek yra materijos Visatoje.
Dabar Visatą sudaro tamsioji materija, tamsioji energija ir įprastinė materija. Reliktinio spinduliavimo susidarymo laikais tamsiosios energijos indėlis buvo visiškai menkas: buvo tik tamsioji materija ir įprastinė materija. Tačiau įprastinės medžiagos kiekį galima nustatyti ir kitu būdu – pagal cheminę sudėtį. Žinome, kad įprastos medžiagos buvo ne daugiau nei 20–25proc., tačiau šie vertinimai šiek tiek kinta. Jeigu nebūtų tamsiosios materijos, įprastos materijos turėtų būti 100proc., tačiau jos yra žymiai mažiau, tai reiškia, kad itin neįprastas komponentas egzistavo net ir tada. Taigi, jei teigiame, kad tamsiosios materijos nėra, o yra kažkokia dinamikos ar traukos dėsnių modifikacija – reikėtų paaiškinti ir šį faktą.
Šio amžiaus pirmojo dešimtmečio pabaigoje buvo nuodugniai ištyrinėtas Kulkos galaktikų spiečius. Pagrindinę galaktikų spiečių masės dalį sudaro dujos, į kurias jis paniręs. Spiečiuje yra ir galaktikų ir žvaigždžių, tačiau pagrindinę masės dalį sudaro dujos. Kulkos ūkas — du susiduriantys spiečiai, o jų susidūrimas įvyko visiškai įprastai: žvaigždės paprasčiausiai pasikeitė, nes žvaigždžių susidūrimas – itin menkai tikėtinas įvykis, o štai dujos susidūrė ir dabar matome du galaktikų spiečius be dujų ir dujas centre. Jei tamsiosios materijos nebūtų, beveik visa masė būtų susitelkusi šiose dujose, tačiau tikrąjį masės pasiskirstymą galime nustatyti naudodami gravitacinį lęšiavimą. Paaiškėjo, kad pagrindinė masės dalis perėjo viena per kitą. Tamsioji materija su niekuo nesąveikauja, todėl praėjo laisvai.
Jei visgi tai modifikuota gravitacija, kažką sugalvoti būtų galima, tačiau kol kas tikėtinų paaiškinimų negirdėti. Ir svarbiausia, jeigu keistume dinamiką, reikėtų tai atlikti vieningai. Ją galima modifikuoti kaip patinka, tačiau tai turi neprieštarauti jau turimiems stebėjimams, bandymams, kurie atliekami Žemėje, o antra, modifikacija privalo būti universali, tai yra, ją modifikavus, naujasis dėsnis privalo veikti visur, kaip dabar manome, kad visur veikia Niutono dėsnis.
Atlikti vieningos modifikacijos, kuri aprašytų visus reiškinius, priskiriamus tamsiajai materijai, kol kas niekam nepavyko. Tamsioji materija pasireiškia bent trijuose skirtinguose stebėjimuose, trimis skirtingais mastais ir todėl tikime, kad ji egzistuoja. Tamsiosios materijos paaiškinti mums žinomomis materijos formomis – dujomis, juodosiomis bedugnėmis ar lengvomis žvaigždėmis, kurių nematome – irgi nepavyktų.
Šio mokslo pradžioje panašių teorijų buvo, tačiau net tada, dar iki reliktinio spinduliavimo atradimo ir kitų stebėjimų, jos atrodė labai abejotinos ir buvo problematiškos. Pavyzdžiui, jei tarsime, kad mūsų galaktiką supanti medžiaga yra sudaryta iš dujų, tai sugalvoti modelį, kad toks dujų kiekis būtų visiškai neregimas – praktiškai neįmanoma. Jos arba pradėtų formuoti žvaigždes, arba būtų matomos spektro linijose. Taigi, jei tai būtų įprasta medžiaga – ją jau būtume pastebėję, o sugalvoti modelį, kuriame nereikėtų tamsiosios materijos – labai sunku.
Išsiaiškinus, kad jau reliktinio spinduliavimo atsiradimo metu, kai buvo tik vienalytės dujos ir dar didelė dalis neįprastos medžiagos – įprasta medžiaga tamsiosios materijos paaiškinimui nebetinka. Dabar tamsiosos materijos egzistavimas – patikimai nustatytas empirinis faktas. Žinoma, gal kada nors bus atrasta kažkas visiškai neįprasto, tačiau tai itin menkai tikėtina, nes tokia teorija, kurioje tamsiosios materijos nėra, turėtų būti labai egzotiška, bet veikiausiai ji tikrai neįmanoma.
