Nu sterrenkundigen een goed beeld hebben van het ontstaan van sterren en planeten, van de levensloop van sterrenstelsels en zelfs van de geboorte van het heelal, zou je bijna het idee krijgen dat de kosmologie geen raadsels meer kent. Dat is echter zeker niet het geval.De twee grootste onopgeloste vraagstukken in de astronomie zijn de samenstelling van de donkere materie en de ware aard van de nog veel mysterieuzere donkere energie.
Donkere materie is materie waarvan het bestaan louter uit de waargenomen zwaartekrachtswerking wordt afgeleid. Al in de jaren dertig werd ontdekt dat clusters van sterrenstelsels zwaarder zijn dan ze eruit zien: als je de massa afleidt uit de gemeten bewegingssnelheden van de afzonderlijke sterrenstelsels, kom je op een veel hogere waarde uit dan wanneer je een schatting maakt op basis van de waargenomen straling van die stelsels. Anders gezegd: er moet veel materie in de cluster voorkomen die geen licht uitstraalt - donkere materie. In de jaren zeventig werd ontdekt dat voor individuele sterrenstelsels hetzelfde geldt.
Een klein deel van die donkere materie is uit gewone atomen opgebouwd. Het zou daarbij kunnen gaan om uitgedoofde dwergsterren, op drift geraakte planeten, koele en ijle gaswolken in de intergalactische ruimte, kleine zwarte gaten of wat dan ook. Maar het overgrote deel van de donkere materie in het heelal moet uit onbekende elementaire deeltjes bestaan. Daar wordt uitgebreid naar gezocht, onder andere in grote deeltjesversnellers, maar tot nu toe is de samenstelling van de donkere materie een onopgelost raadsel.
Alsof dat niet al erg genoeg is, werd in 1998 ontdekt dat er in de kosmos ook mysterieuze donkere energie voorkomt. Metingen aan supernova-explosies in ver verwijderde sterrenstelsels laten zien dat de uitdijingssnelheid van het heelal sinds een paar miljard jaar aan het toenemen is, terwijl je op basis van de onderlinge zwaartekracht van alle sterrenstelsels juist een afname zou verwachten. Deze mysterieuze versnellende uitdijing wordt toegeschreven aan een al even onbegrepen 'vacuümenergie' van de lege ruimte, die zich manifesteert als een afstotende kracht.. Maar ook de ware aard van die donkere energie is een raadsel.
De ontdekking van de donkere energie bood overigens wel een oplossing voor de leeftijdscrisis van het heelal: ooit leek het erop dat het heelal jonger was dan de oudste sterren die erin voorkomen, maar als er sprake is van een versnellende uitdijing, is de leeftijd van het heelal hoger dan je zou verwachten op basis van de huidige uitdijingssnelheid, waardoor de leeftijdscrisis van het heelal wordt bezworen. De nieuwste metingen wijzen op een leeftijd van 13,7 miljard jaar.
Uit precisiemetingen aan de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels, aan de kosmische achtergrondstraling en aan de zwaartekrachtlenswerking van clusters is inmiddels een vrij nauwkeurig beeld naar voren gekomen van de materie- en energie-inhoud van de kosmos. Ongeveer 72 procent daarvan komt voor rekening van de donkere energie; slechts 28 procent van de totale inhoud van het heelal bestaat uit materie. Het grootste deel daarvan (24 procent van het totaal) is echter 'niet-baryonische' donkere materie: onbekende elementaire deeltjes die - afgezien van hun zwaartekracht - geen wisselwerking vertonen met 'gewone' materie.
Dat betekent dat slechts vier procent van de totale inhoud van het heelal uit de ons vertrouwde deeltjes is opgebouwd: protonen, neutronen en elektronen. Van die vier procent is overigens ongeveer driekwart ook onzichtbaar. De zichtbare sterren en sterrenstelsels die de afgelopen eeuwen door astronomen zijn bestudeerd, vertegenwoordigen dus slechts één procent van de totale inhoud van het heelal, en van 96 procent van die materie- en energie-inhoud is de ware aard onbekend.
Natuurlijk zijn er talloze pogingen ondernomen om de verontrustende raadsels rond donkere materie en donkere energie op een andere manier op te lossen. De hoge bewegingssnelheden van sterren en gaswolken in de buitengebieden van sterrenstelsels zouden bijvoorbeeld ook verklaard kunnen worden door aan te nemen dat er iets ontbreekt aan onze huidige ideeën over de zwaartekracht. En de metingen aan verre supernova's worden mogelijk beïnvloed door onbegrepen evolutionaire effecten. Maar tot nu toe zijn al die pogingen gestrand, en worden er alleen maar steeds nieuwe aanwijzingen gevonden voor het bestaan van donkere materie en donkere energie.