Die Kosmologie untersucht die Gesetze des Universums und seines Inhalts anhand der Verteilung von Materie und Licht durch Raum und Zeit, wie in einem gigantischen Labor. Insbesondere hoffen Kosmologen zu verstehen wie sich der Inhalt des Universums zusammensetzt, wie es begann, und wie sich die komplexe Verteilung der Galaxien, die wir heute beobachten, aus den Anfangsbedingungen vor vielen Milliarden Jahren entwickelt hat.
Die moderne Kosmologie basiert auf vielen wichtigen Datensätzen, aber wir konzentrieren uns hier auf drei Grundsäulen: den kosmischen Mikrowellenhintergrund, großflächige Vermessungen der Verteilung von Galaxien, und die Beobachtungen von Supernovae über einen weiten Bereich von Entfernungen. Der Mikrowellenhintergrund besteht aus Licht (oder Photonen) die den Moment widerspiegeln, als das Universum abgekühlt genug war, um in einen neutralen, und durchsichtigen Zustand überzugehen. Dieser Zeitpunkt fand ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall statt, und die Dichte des Universums in diesem Moment ist in dem Licht des Mikrowellenhintergrundes eingeprägt, ähnlich einem Kinder-Foto des Universums. Die feinen Korrelationen in der räumlichen Verteilung von Galaxien im Kosmos erlaubt es die spätere Entwicklung des Universums zu untersuchen, im übertragenen Sinne während es ein Teenager war. Die Beobachtung von Supernovae, explodierenden Sternen, die eine sehr gut bekannte Helligkeit haben (und deshalb auch “Standard Kerzen” genannt werden) erschließt dann das Verhalten des erwachsenen Universums in der nahen Vergangenheit.
Aus dem Zusammenschluss dieser drei Methoden lässt sich ableiten, dass das Universum circa 14 Milliarden Jahre alt ist, und aus 5 Prozent normaler Materie (Wasserstoff, Helium, und alle anderen Elemente); 27 Prozent dunkle Materie die durch Gravitation zusammenklumpt, aber nicht mit Licht wechselwirkt; und 68 Prozent mysteriöser dunkler Energie, die sich wie eine konstante Energiedichte verhält, die mit dem leeren Raum zusammenhängt (dem Vakuum) und einen negativen Druck besitzt.
Genau diese dunkle Energie will DESI erforschen. Die meisten bekannten Substanzen haben einen positiven Druck: wenn man einen Ballon zusammendrückt baut sich darin ein Gegendruck auf. Wenn man dunkle Energie zusammendrücken könnte, würde sie weiter in sich zusammenfallen, und umgekehrt, wenn man dunkle Energie auseinander zieht, dann dehnt sie sich umsomehr aus. Aus diesem Grund treibt die dunkle Energie eine Beschleunigung der Ausdehnung der Raum-Zeit voran, die wir zuerst in den Beobachtungen von Supernovae entdeckt haben, und jetzt genauer mit Vermessungen der Verteilung von Galaxien untersuchen. Leider ist die dunkle Energie nicht ein Teil der Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik, und ihr genaues Wesen bleibt bis heute unverstanden.
Theoretische Physiker haben eine große Anzahl von möglichen Erklärungen für die kosmische Ausdehnung entwickelt, aber alle haben Probleme und Widersprüche. Die bekannteste Hypothese ist die “kosmologische Konstante”, die bereits in den Arbeiten von Albert Einstein angedeutet wurde. Dieser Theorie zufolge ist der Raum mit einer ganz winzigen Menge von Vakuumenergie gefüllt, die aus einem verschwindend kleinen Ungleichgewicht in der Quantenmechanik von Elementarteilchen hervorgeht. Aber wir wissen nicht warum die kosmologische Konstante einen so extrem kleinen Wert, gerade nicht gleich null, annimmt, und wir können sie auch nicht aus unseren fundamentalen Theorien der Teilchenphysik ableiten.
Andere Ideen beinhalten neue Naturkräfte, Änderungen in der Theorie der Gravitation, oder neue Effekte in Quantengravitation. Wir wissen nicht, ob eine dieser Erklärungen korrekt ist, und falls ja, welche. Aber die verschiedenen Theorien machen unterschiedliche Vorhersagen bezüglich der kosmologischen Beobachtungen, und es sind diese Unterschiede die DESI erschließen will.
