L'ammontare di materia luminosa osservato nelle galassie e negli ammassi di galassie non è neanche lontanamente sufficiente a garantire la stabilità gravitazionale di queste strutture. Per spiegare il fatto che galassie e ammassi siano gravitazionalmente legati, dobbiamo allora necessariamente ipotizzare che circa l'80% della materia in esse contenuta risulti essere oscura, nel senso che non emette né riflette radiazione osservabile. Una volta assodata questa evidenza sperimentale, bisogna fare delle ipotesi sulla possibile natura di questa materia oscura. Si può immaginare che essa sia costituita essenzialmente da:

- materia oscura barionica (stelle non abbastanza massive da generare fusione nucleare e che quindi non emettono radiazione, stelle o galassie intrinsecamente troppo poco luminose per essere osservate)

- materia oscura non barionica (gas di particelle poco massive, per esempio il neutrino, o gas di particelle "esotiche" piuttosto pesanti sulle quali possiamo solo formulare ipotesi, poichè non siamo, allo stato, in grado di osservarle negli acceleratori)

- buchi neri di diverse dimensioni

- energia oscura (la presenza di energia oscura nell'universo è ragionevolmente supportata dalla dinamica su grande scala: per spiegarla abbiamo bisogno di qualcosa che "somigli" ad un'interazione gravitazionale repulsiva, appunto, su grande scala. Esistono diverse ipotesi sulla natura di questa energia).

Molti ritengono che il contributo più significativo alla massa "mancante" dell'universo venga proprio dall'energia oscura. Va sottolineato che, dal punto di vista della relatività generale, materia ed energia sono entrambe sorgenti dell'interazione gravitazionale. I vari costituenti della materia oscura hanno però rilevanza diversa a diverse scale di distanza. Su scale di distanza cosmologiche, dovrebbe essere predominante il contributo dell'energia oscura. Su queste scale di distanza, l'unica interazione possibile tra tutte le forme di materia oscura e tra esse e la materia "ordinaria" è quella gravitazionale, descritta dalle equazioni di Einstein.

Su scale di distanza galattiche, possiamo pensare che il contributo dell'energia oscura sia piccolo e che la materia ordinaria, la materia oscura barionica, gli eventuali gas di particelle non barioniche e i buchi neri (si ritiene che al centro di molte galassie sia presente un grande buco nero) interagiscano sempre gravitazionalmente, in maniera approssimativamente newtoniana.
Su scale di distanza piccole, dove il contributo dell'energia oscura dovrebbe essere trascurabile, potrebbero aver luogo interazioni di tipo quantistico. In particolare nelle vicinanze di un buco nero, particelle di materia oscura soggette a enormi accelerazioni potrebbero produrre, interagendo tra loro, emissione di radiazione e/o altre partcelle in allontanamento dal buco nero.

Alcuni hanno inoltre ipotizzato che se esistesse effettivamente materia oscura non barionica, costituita da particelle esotiche soggette a interazioni differenti dalle quattro fondamentali, queste potrebbero dar luogo alla formazione di buchi neri su scala particellare. Queste ipotesi non possono attualmente essere avvalorate da alcun esperimento. In ogni caso questi eventuali buchi neri particellari, sarebbero strutture altamente instabili.