暗物质是一种理论假设，目前并没有“一定存在”这一说，但这是在物理学界这是最广泛认可的假设。
这个问题的本质在于：我们根据物理模型计算出来的质量和实际观测到的质量不符，这么一来就有两种可能。
1 - 存在一种目前无法观测到的质量，即暗物质
2 - 现有物理模型在星系尺度下不适用，需要修正。
现在的情况是在天体物理学和宇宙学里有大量相互独立的观测，有一些观测结果用现有理论无法解释，而如果你假设暗物质，即1的存在，则其中相当一部分问题可以迎刃而解。2的研究，包括更广义的引力修正理论（例如MOND）在物理学界是一个非常活跃的前沿，但是各种现有引力修正理论最大的问题就是引入它们后能解释的观测现象在数目和重要性来说远远不如暗物质，引力修正也是一个相对较为年轻的领域，每年都会有新理论诞生，以及旧理论因为新的观测数据而被推翻。
下面列举暗物质可以解释的5个最重要的观测现象。
1 - 星系团
宇宙中各种各样的天体无时无刻不在转动中，恒星绕星系中心旋转，星系则成群绕圈。如同初中物理所学的，天体受到的引力提供了它们运动的动力，天体运行速度越快，意味着约束它们的引力越强。
1933年Fritz Zwicky研究了太空里离我们最近的超大星系团——后发座星系团（见下图）。
他利用维里定理（将系统总势能和平均动能联系起来的方程）算出整个星系团的总质量。另一方面，从这些星系中发光物质（恒星和气体）发出的波谱也能估算出一个总质量值。但让他大吃一惊的是，发光物质的总质量比通过引力计算出的质量小得多，完全不足以将整个星系团拘束在一起。他因此提出了“暗物质”这一名称来解释其间的差异。
2 - 星系自转曲线
同样的证据出现在星系内部。借用以上提到的初中物理，离星系中心越远的恒星运行速度会越慢。但是在1960年代研究仙女座星系时，Vera Rubin和Kent Ford观测到不同的现象，恒星不管离星系中心多少距离速度都大致恒定。
这个发现也就是题主所述的现象。Rubin和Ford在1975年发表了一篇研究，认为如果星系内存在一圈暗物质组成的“晕”包裹整个星系，那么就可以解释上述转速曲线恒定的问题。
3 - 微波背景辐射
微波背景辐射是宇宙诞生之初的第一张照片。其分布是由两股力量互相较劲形成的，引力驱使物质聚拢一处，光压则迫使物质四散分开。这体现在微博背景辐射上就是光子和物质的振动，形成深浅不一的区域。如果宇宙中存在一部分暗物质，只会贡献引力而不贡献光压，那对微波背景辐射分布将会产生巨大的影响。
我们可以预测存在和不存在暗物质情况下的微博背景辐射波谱，即不同大小的光子和物质颗粒振动的强度。威尔金森微波各向异性探测器2008年公布的数据是人类第一次成功测量微博背景辐射第一波峰值时期的波谱。它的数据接近于暗物质存在的样貌。
4 - 子弹星系团
2006年，在分析哈勃太空望远镜以及钱德拉X射线天文台的数据后，天文学家们公布了一个名为子弹星系团的发现。这个星系团最近刚由两个星系团高速撞击形成，两个星系团的物质在撞击中被混合在一起。两座太空望远镜的数据让我们可以用两种方法来估计星系团的总质量：X射线波谱的光学观测以及引力透镜效果。
星系团内星系之间的空间充斥着极高温的气体，这些气体一般会占整个星系团所有普通物质总质量的约90%。当两个星系团相撞时，这些气体会变得更热，导致X射线亮度增加。我们由此可以算出气体的动能和它们的分布。
另一方面，遥远光源的光在从大质量物体旁边经过时会被折射，产生所谓的引力透镜现象，通过测量这些聚焦后的图像，我们能算出光源和我们之间的透镜的位置和质量。
如果星系团完全由普通物质组成，那么光学测量算出的质量应该和引力透镜法算出的质量差不多。但这次测量显示了极大的差距。光学可视物质的质量大多集中在下图的中央（红色）。而引力透镜计算出的结果显示质量其实集中分布在两端（蓝色）发光物质以外的区域。
如果假设暗物质这个现象就很好解释：
1 - 暗物质和周围物质的相互作用比普通物质要少得多
2 - 在星系团撞击时，一个星系团的暗物质轻松穿过了另一个星系团跑到了另一侧
3 - 普通物质则在撞击时发生大量反弹，造成减速，然后和暗物质分离。
5 - 大尺度结构
像是斯隆数字巡天这样的望远镜绘出宇宙中的星系时，图中出现的最大的特征被称为大尺度结构。这些结构如果只存在普通物质是不能形成的。在微博背景辐射之前，普通物质因为受到光压和引力作用来回振动，不可能有效地密集在一起。因此，很多我们观测到的大尺度结构在宇宙寿命时间内不足以聚集形成。
暗物质则提供了一个不同的角度。因为暗物质不会经历振动过程，它可以抢先开始聚集形成结构，并为之后的星系和星系团分布提供了引力基础。
