Khi bầu trời đủ tối, thiên hà Tiên Nữ chỉ hiện lên như một vệt sáng mờ. Nhưng ánh sáng đang tới mắt ta đã rời nơi ấy khoảng 2,5 triệu năm trước. Và đó vẫn chỉ là một thiên hà tương đối gần. Nhìn sâu hơn bằng kính thiên văn, những đốm sáng nhỏ bé hiện ra thành hàng nghìn, rồi hàng triệu thiên hà khác.

Ngay cả Ngân Hà, nơi chúng ta đang sống, con người cũng chưa từng nhìn thấy toàn bộ từ bên ngoài. Ta ở ngay bên trong nó, nên bức tranh về Ngân Hà phải được dựng lên từ rất nhiều quan sát: khoảng cách và chuyển động của các ngôi sao, những đám khí phát ra sóng vô tuyến, hay ánh sáng hồng ngoại có thể xuyên qua các vùng bụi che khuất. Từ những dữ liệu ấy, hình hài của một thiên hà rộng lớn dần rõ nét, với đĩa sao, vùng trung tâm và một quầng trải xa hơn nhiều so với phần sáng mà mắt thường có thể nhìn thấy.

Ngân Hà không đứng một mình giữa khoảng không. Cùng với thiên hà Tiên Nữ và nhiều thiên hà nhỏ hơn, nó thuộc về một nhóm thiên hà. Ở những quy mô lớn hơn, các thiên hà còn tập trung thành những cụm có thể chứa hàng trăm hay hàng nghìn thành viên. Khối lượng tập trung ở đó lớn đến mức có thể làm cong đường đi của ánh sáng từ những vật thể nằm xa hơn phía sau.

Khi khoảng cách của ngày càng nhiều thiên hà được đo và đưa lên bản đồ ba chiều, một cấu trúc lớn hơn lộ ra. Phần lớn những khoảng cách ấy được suy ra từ mức ánh sáng của thiên hà bị dịch về phía đỏ: càng xa, ánh sáng càng bị dịch nhiều. Các thiên hà không phân bố đều trong không gian. Có nơi chúng tập trung rất dày, có nơi gần như trống rỗng; giữa những vùng đông đúc là các sợi dài nối chúng với nhau. Trên quy mô đủ lớn, tất cả hợp thành một mạng lưới khổng lồ trải rộng trong vũ trụ.

Nhưng phần phát sáng của các thiên hà mới chỉ cho thấy một phần của cấu trúc ấy. Chuyển động của các ngôi sao ở rìa thiên hà, của các thiên hà trong cụm và mức độ ánh sáng bị bẻ cong khi đi qua cụm đều cho cùng một kết quả: lực hấp dẫn thực tế lớn hơn nhiều so với lực mà phần vật chất nhìn thấy có thể tạo ra. Từ đó, các nhà thiên văn kết luận rằng còn có một lượng lớn vật chất không phát ra cũng không hấp thụ ánh sáng, nhưng vẫn để lại tác dụng hấp dẫn rất rõ. Ta gọi đó là vật chất tối. Chúng ta chưa biết chính xác nó là gì, nhưng ảnh hưởng của nó có thể được nhận ra từ bên trong các thiên hà cho tới những cấu trúc lớn nhất của vũ trụ.

Từ một vệt sáng trên bầu trời đến bản đồ của hàng triệu thiên hà, mỗi bước mở rộng tầm nhìn lại cho thấy một cấp cấu trúc lớn hơn. Một ngôi sao thuộc về một thiên hà; các thiên hà tập hợp thành nhóm và cụm; những cấu trúc ấy lại nối với nhau trên quy mô lớn hơn nữa. Mỗi cấp trong chuỗi ấy đều dựa trên những phép đo cụ thể, và phần khám phá này sẽ đi theo từng phép đo đó.