Karanlık madde ve karanlık enerji, Evrenin yapısını ve evrimini belirleyen gizemli bileşenlerdir. Karanlık madde, galaksilerin ve galaksi kümelerinin çoğunluğunu oluşturur ve bu yapıların geniş ölçekte nasıl düzenlendiğini belirler. Gözlemler, yıldızların ve gazın, gözle görünen maddeden daha fazla kütleye sahipmiş gibi hareket ettiğini gösteriyor; bu da karanlık maddenin varlığını ve yerçekimi etkisini işaret ediyor. Karanlık enerji ise, Evrenin hızlanarak genişlemesini sürükleyen bilinmeyen bir kuvvet olarak kabul edilir ve Evrenin toplam enerji içeriğinin yaklaşık %68'ini oluşturur.
Evrenin genişlemesini ölçmek için yapılan gözlemler, 1920'lerde Edwin Hubble tarafından başlatılan ve 1998 yılında iki bağımsız araştırma grubunun daha büyük bir hassasiyetle ölçülmesiyle onaylanan, Evrenin hızlanarak genişlediğine dair bulgular elde etmiştir. Bu bulgular, genel görelilik teorisiyle birleştiğinde, Evrenin genişlediği ve bu genişlemenin karanlık enerji tarafından desteklendiği sonucuna varmıştır.
Modern astronomların karşılaştığı en büyük zorluklardan biri, bu gizemli maddelerin ne olduğunu ve nasıl çalıştığını anlamaktır. Karanlık maddenin teorik modelleri oluşturulurken gözlemlerden elde edilen dolaylı kanıtlar kullanılmaktadır.
