L’objectiu principal de DESI, en termes de cosmologia, és l’estudi de la naturalesa de l’energia fosca. Com evoluciona la densitat d’energia en el temps?, i, de quina manera es veu afectat l’acumulament de la matèria? Per dur a terme aquesta missió, DESI utilitzarà els seus mapes de galàxies per mesurar dos efectes cosmològics: les oscil·lacions acústiques de barions (BAO), i les distorsions en l’espai de desplaçaments cap el roig (RSD). Aquests mateixos mapes també ens proveiran moltes oportunitats per l’estudi de la cosmologia i de la física de galàxies, quàsars i gas intergalàctic.
Les oscillacions acústiques dels barions (BAO)
DESI està optimitzat per mesurar una senyal molt subtil impresa en els mapes de la distribució de galàxies: les Oscil·lacions Acústiques de Barions (BAO). Aquesta senyal és el remanent de processos físics molt importants que van tenir lloc en l’univers primitiu. Per explicar aquest efecte, comencem amb el fet que l’univers és ple de la radiació còsmica del fons de microones. (CMB), la qual és a la vegada un remanent, una empremta del moment en que la radiació i la matèria es van desacoplar. Avui en dia la temperatura d’aquesta radiació és només de 2,7 graus Kelvin per sobre del zero absolut, però en l’univers primerenc aquesta temperatura era molt més alta. Després del Big Bang, quan l’univers només tenia aproximadament 400.000 anys, la densitat de matèria era 
més de mil milions de vegades més gran del que és avui en dia. En aquell moment la radiació còsmica del fons de microones (el CMB) tenia prou energia per ionitzar l’Hidrogen i l’Heli, és a dir, els electrons estaven separats dels nuclis formant un plasma. Els electrons podien ser fàcilment dispersats pels fotons del CMB i a la vegada aquests fotons exercien una intensa pressió de radiació prevenint la compressió del plasma. Les perturbacions de densitat creades durant els primers segons de l’univers es propaguen en aquest plasma com si fossin ones de so, d’aquí prové la seva denominació com a ones acústiques de barions.
Aquestes ones de so es propagaren a través de l’espai durant aproximadament 400.000 anys, fins que l’univers s’expandí i es refredà prou com perquè els electrons i els nuclis atòmics es combinessin en àtoms neutres. En aquest moment, les forces gravitacionals, degudes a les perturbacions de densitat van començar a dominar i a definir l’evolució de l’estructura a gran escala de l’univers, tal com l’observem avui. L’efecte de les ones acústiques però encara pot ser mesurat, perquè a l’entorn de cada zona d’alta densitat queda una petita empremta d’aquesta ona que s’havia desacoplat de la matèria en l’univers primitiu. Aquest fet genera una tendència a trobar parells de galàxies a una distància de 500 milions d’anys llum, que és la distància que aquestes ones de so van viatjar durant l’expansió primerenca de l’univers. Aquesta relíquia d’empremta tènua s’ha observat en diversos conjunts de dades de la distribució de galàxies en l’espai, en particular en el Cartografiat Sloan de les Oscil·lacions Bariòniques (BOSS), del projecte Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Avui en dia, aquesta subtil correlació en la distribució de galàxies és una de les observacions principals en la investigació de l’energia fosca. Quan observem una mostra de galàxies amb un alt desplaçament cap al roig, i a la vegada detectem una acumulació d’aquestes galàxies a una escala característica, resulta que aquesta escala es correspon aproximadament a 500 milions d’anys llum. Amb aquesta informació podem deduir la distància de nosaltres a aquestes galàxies. És com si la mostra espacial de desplaçaments cap al roig ens hagués donat un mapa on la conversió entre polzades i kilòmetres no fos òbvia, però, analitzat cuidadosament la distància típica entre galàxies poguéssim deduir correctament el factor escala que ens falta.
DESI utilitzarà les observacions de BAO per mesurar, amb una precisió menor a l’1%, a relació entre la distància a les galàxies i el seu desplaçament cap al roig, per un interval d’aquest desplaçament. Això ens permetrà deduir la història de l’expansió de l’univers així com l’evolució de la densitat d’energia fosca.
Distorsions en l’espai de desplaçament cap al roig (redshift-space distortions)
Quan DESI mesura el desplaçament cap al roig de les galàxies, aquest desplaçament en realitat està compost per dues contribucions: una principal provinent de l’expansió de l’univers, i una de petita provinent del moviment propi de les galàxies, la qual sorgeix a causa de l’atracció gravitacional que l’estructura a gran escala exerceix al voltant de la galàxia. Aquesta última contribució és coneix com a velocitat peculiar. Quan mesurem el valor de la velocitat peculiar podem determinar la quantitat de massa present en l’estructura a gran escala. O, en el cas que aquesta ja estigui determinada per altres mètodes, llavors podem posar a prova les prediccions de la Relativitat General d’Albert Einstein sobre l’atracció gravitatòria a escales de centenars de milions d’anys llum.
Examinar l’aplicabilitat de la Relativitat General en aquestes escales tant grans és molt important perquè podria revelar explicacions alternatives de l’expansió accelerada de l’univers, conegudes com a teories de gravetat modificada. De fet, actualment se sap que a aquestes enormes escales de l’univers el ritme d’expansió de l’univers és molt diferent del que es prediria a partir de l’atracció gravitacional de la matèria coneguda i de les lleis físiques comprovades amb èxit a les escales del sistema solar. Potser aquestes diferències podrien tenir associades altres empremtes caraterístiques en l’estructura a gran escala.
La magnitud de les velocitats peculiars es pot mesurar comparant l’amplitud característica de l’acumulament de les galàxies a gran escala, en les direccions perpendiculars i paral·leles a la línia de visió.
Això es coneix com a distorsions en el desplaçament cap al roig. Degut a que l’estructura a gran escala que estem mesurant és ella mateixa la responsable de les velocitats peculiars, aquesta mateixa estructura queda canviada de manera sistemàtica. Els anàlisis detallats dels mapes de DESI poden mostrar el canvi en aquesta estructura, i per tant mesurar les velocitats peculiars amb gran precisió.
DESI i l’energia fosca
L’enigma de l’energia fosca i l’atracció cada cop més gran per la cosmologia continuen motivant el desenvolupament d’una àmplia gamma d’experiments cosmològics. DESI és dels experiments de cartografiats de galàxies més ambiciosos que ja està en procés de desenvolupament i que ràpidament es convertirà en el cartografiat més gran del mon de desplaçaments cap al roig.
Els exquisits mapes tridimensionals que DESI produirà són molt valuosos en ells mateixos, però esdevindràn encara molt més efectius quan es combinin amb les dades provinents de cartografiats d’imatges en l’espectre òptic/infraroig, microones i raig X.
Una de les característiques principals de la cosmologia moderna és la capacitat de mesurar les propietats cosmològiques amb moltes tècniques diferents, doncs la comparació dels resultats pot reforçar la confiança que tenim en les nostres respostes així com guiar-nos cap a noves oportunitats d’investigació. Tenim grans expectatives en el rol destacat i col·laboratiu que DESI jugarà en la propera dècada en el camp de la cosmologia, i en particular en l’estudi de l’energia fosca.
Els mapes de DESI s’usaran per moltes altres aplicacions que van més enllà de les oscil·lacions acústiques de barions i de les distorsions en l’espai del desplaçament cap el roig. Esperem que les mesures de l’amplitud de l’estructura a gran escala en escales intermitges del desplaçament cap el roig seran molt importants per a mesurar la massa dels neutrins.
Amb les mesures de l’estructura a gran escala de l’univers, DESI podrà determinar si les perturbacions inicials en la densitat segueixen el model més senzill o bé resulta que les correlacions que se n’obtenen indiquen l’existència d’una nova física a les enormes escales energètiques del primer segon de l’univers. Les mesures detallades de l’acumulament i distribució de galàxies poden ser utilitzades per analitzar un ampli rang de models alternatius, o extensions del model cosmològic estàndard.
Més enllà de la cosmologia, DESI mesurarà amb precisió la distància a milions de galàxies i quàsars, permetent interpretar millor les seves propietats i demografia. DESI produirà el que serà el mapa més detallat de l’univers proper, esdevenint el pilar central de l’estudi de cúmuls i grups de galàxies així com dels fenòmens físics extrems en aquestes galàxies. Per altra banda, l’espectroscopia estel·lar de DESI mesurarà amb gran detall l’estat dinàmic del halo i del disc gruixut de la Via Làctea.
