La cosmologia è lo studio della composizione dell’universo e delle leggi che lo governano tramite l’utilizzo della distribuzione di materia e della radiazione che riusciamo ad osservare nello spazio, il quale diventa un laboratorio in cui condurre esperimenti. In particolare, i cosmologi puntano a comprendere la natura dei vari componenti dell’universo e come la loro evoluzione possa aver portato alla formazione delle ricche strutture che osserviamo ad oggi, come le galassie, a partire dalle cosiddette “condizioni iniziali” dell’universo miliardi di anni fa.
La cosmologia moderna si fonda su numerose osservazioni, a cui ci riferiamo come set di dati, e qui ci soffermiamo su tre osservazioni principali: la radiazione cosmica di fondo (o cosmic microwave background, CMB), i survey di galassie e le misure di supernovae. La CMB consiste in luce (o meglio, fotoni) proveniente dal momento in cui l’universo è diventato abbastanza freddo da diventare neutro, anziché essere un plasma composto da particelle cariche separate, circa 380,000 anni dopo il Big Bang; la densità dell’universo in quel momento è rimasta imprinta nella radiazione che ci ha raggiunto quasi inalterata, rappresentando quindi un’immagine dell’universo giovane. I survey di galassie (ovvero, osservazioni di un grande numero di galassie) guardano alle correlazioni nella distribuzione spaziale delle galassie per investigare il comportamento dell’universo a tempi più recenti, raggiungendo quella che potrebbe essere considerata l’adolescenza dell’universo. Infine, il metodo delle supernovae si serve di esplosioni stellari come “candele standard”, le quali hanno sprigionano un’energia per l’appunto “standard”, che misuriamo e conosciamo, e che quindi possono essere utilizzate come punti di riferimento per misurare le distanze dell’universo e quindi derivarne misure di espansione vicino al giorno d’oggi.
In combinazione, questi tre metodi hanno dimostrato che l’universo ha circa 14 miliardi di anni, è costituito di materia conosciuta (per lo più idrogeno ed elio, seguiti dagli elementi che osserviamo sulla Terra) per il 5%, di materia oscura (la quale interagisce tramite forza gravitazionale, ma non tramite forza elettromagnetica) per il 27%, e di energia oscura per il 68%. L’energia oscura è tuttora una componente misteriosa che si comporta come se avesse una densità di energia costante potenzialmente associabile con lo spazio vuoto e come se avesse una pressione negativa.
L’esperimento DESI è principalmente volto a capire cosa possa essere questa energia oscura. La maggior parte delle sostanze a noi familiari hanno una pressione positiva: per esempio, se si prova a comprimere un palloncino gonfio, questo fa della pressione verso l’esterno. Se potessimo comprimere un oggetto fatto di energia oscura, questo si comprimerebbe ancor di più, e se provassimo ad espanderlo, espanderebbe ancora di più. Perciò l’energia oscura è in grado di guidare un’espansione accelerata dello spazio tempo stesso, come è stato scoperto per la prima volta tramite osservazioni di supernovae, e come stiamo esplorando ancora più a fondo con i survey di galassie. Sfortunatamente, questa componente non è predetta dal modello standard delle particelle, e la sua natura rimane sconosciuta.
I fisici teorici hanno proposto una grande gamma di modelli in grado di spiegare l’accelerazione dell’universo, ma molti sono stati in qualche modo confutati. La spiegazione più famosa è quella della costante cosmologica, inizialmente teorizzata da Albert Einstein. In questa teoria lo spazio è intrinsecamente riempito con un esiguo livello di energia del vuoto che risulta da una lieve mancata cancellazione di particelle elementari che esistono nella meccanica quantistica. La presenza di tale energia del vuoto è di fatti predetta dalla meccanica quantistica, ma il suo valore non coincide con le predizioni. Inoltre, il fatto che questa energia abbia un valore così particolare e piccolo porta ad un problema di “fine tuning”.
Altre teorie invocano la presenza di nuove forze, modificazioni alla teoria della relatività generale o effetti della gravità quantistica. Non sappiamo quale teoria sia quella corretta, ma diverse teorie predicono diverse osservabili cosmologiche, ed è proprio queste osservabili che DESI punta a rilevare.
