DESI ha come missione cosmologica primaria studiare la natura dell’energia oscura: come evolve nel tempo la densitá di energia dell’universo e come questa influenza la distribuzione della materia? Per rispondere a queste domande, DESI utilizzerà le mappe di galassie per misurare due effetti cosmologici: le oscillazioni barioniche acustiche e le distorsioni nello spazio dei redshift. Le stesse mappe forniranno altre opportunità per lo studio della cosmologia, della fisica delle galassie, dei quasar e del gas intergalattico.
Oscillazioni barioniche acustiche
DESI è ottimizzata per misurare nelle mappe di galassie un effetto molto sottile, che é tutto ció che rimane di un importante processo fisico avvenuto nell’Universo giovane e conosciuto come oscillazioni barioniche acustiche (‘baryon acoustic oscillations’, BAO). Per spiegare questo effetto, bisogna prima di tutto considerare la radiazione cosmica di fondo—il calore residuo del Big Bang—che riempie l’Universo. 
Oggi la temperatura è solo 2.7 gradi Kelvin sopra lo zero assoluto, ma era molto più alta in epoche precedenti. Fino a 400 000 anni dopo il Big Bang, quando l’Universo era oltre 1 miliardo di volte più denso di come lo conosciamo oggi, la radiazione di fondo era abbastanza calda da ionizzare idrogeno ed elio, quindi separare gli elettroni dai nuclei atomici e formare un plasma. Gli elettroni disperdevano facilmente i fotoni della radiazione di fondo e, a loro volta, i fotoni fornivano una pressione di radiazione molto forte che resisteva alle compressioni del gas. In tal modo, le perturbazioni di densitá che si sono create nella prima frazione di secondo di vita dell’Universo viaggiavano come onde sonore in questo plasma. Il viaggio delle onde sonore, durato circa 400 000 anni, è terminato quando l’Universo in espansione si è raffreddato abbastanza da permettere ad elettroni e nuclei atomici di ricombinarsi in atomi neutri. A questo punto le forze gravitazionali delle perturbazioni di densitá sono diventate dominanti ed hanno dato forma alle strutture su larga scala (‘large-scale structure’) che osserviamo oggi. Tuttavia, l’effetto delle onde sonore può essere ancora misurato: attorno a ciascuna regione particolarmente densa c’è un debole segnale sferico prodotto dall’onda che ha lasciato quella regione. Ciò ha creato una leggera tendenza nell’Universo per cui coppie di galassie sono separate dalla distanza percorsa dalle onde che, stando all’Universo in espansione, oggi corrisponde a circa 500 milioni di anni luce. Questo debole segnale residuo è stato osservato in diverse raccolte di campagne osservative, specialmente nella Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Questa sottile correlazione tra coppie di galassie è attualmente uno degli elementi principali nello studio dell’energia oscura.
Distorsioni nello spazio dei redshift
Il redshift delle galassie misurato da DESI è in realtà costituito da due contributi: uno spostamento verso il rosso più ampio dovuto all’espansione cosmologica dell’Universo, e uno spostamento più piccolo risultante dal moto della galassia dovuto alla forza gravitazionale prodotta dalla struttura a larga scala circostante. Il secondo contributo è conosciuto come velocità peculiare. Misurando l’entità della velocità peculiare, gli scienziati possono misurare la quantità di massa contenuta nella struttura a larga scala.
Se quest’ultima è nota da altri metodi, è possibile verificare che le attrazioni gravitazionali, su distanze di centinaia di milioni di anni luce, seguano le predizioni della teoria della relatività generale di Albert Einstein, collegata alla gravità. La verifica della relatività generale su scale enormi é importante perché potrebbe rivelare spiegazioni alternative per l’espansione accelerata dell’Universo, note come teorie modificate della gravità. Gli scienziati osservano che il tasso di espansione delle scale più grandi si evolve in maniera diversa da quello che avrebbero previsto basandosi sull’attrazione della materia conosciuta e sulla fisica verificata sulle scale del sistema solare. Questa rottura potrebbe essere spiegata dalle teorie modificate della gravità e potrebbe rivelarsi sotto forma di caratteristiche rilevabili nella struttura a larga scala dell’Universo.
Le velocità possono essere misurate nelle mappe collezionate da DESI confrontando le ampiezze caratteristiche del “clustering” delle galassie (ovvero della misura statistica della separazione tra coppie di galassie menzionata in precedenza) su larga scala nella direzione perpendicolare e parallela alla linea di vista. Quando si guarda alla distribuzione di tali galassie nello spazio del redshift, si notano delle distorsioni rispetto a come le stesse galassie appaiono distribuite nello spazio delle distanze. Questo effetto è conosciuto come distorsioni dello spazio dei redshift, ed è causato proprio dalle velocità peculiari. Poiché la struttura a larga scala che osserviamo dà origine alle velocità peculiari, c’è un cambio sistematico in come la distribuzione della struttura stessa appare. Un’analisi accurata delle mappe puó rivelare questo segnale con elevata precisione.
DESI nel Portfolio dell’energia oscura
L’enigma dell’energia oscura e l’attrattiva attuale della cosmologia continuano a motivare un’ampia gamma di esperimenti cosmologici. DESI è ad oggi una delle survey operative più ambiziose e diventerà rapidamente l’esperimento più grande al mondo in grado di misurare il redshift delle galassie. Le splendide mappe 3D ottenute da DESI rappresentano una fantastica opportunitá di per sé, ma diventeranno ancora più efficaci quando combinate con le immagini di survey imminenti nelle frequenze dell’ottico, infrarosso, microonde e raggi X. Uno dei tratti caratteristici della cosmologia moderna è l’abilità di misurare le proprietà cosmologiche in vari modi, poiché il confronto dei risultati può rafforzare la fiducia nei risultati e indicare la strada per nuove opportunitá. Aspettiamo con impazienza il ruolo di spicco e collaborativo che DESI avrà nel portfolio cosmologico del prossimo decennio, specialmente nello studio dell’energia oscura.
Oltre l’energia oscura
Le mappe ottenute da DESI verranno usate per molte altre applicazioni oltre le oscillazioni barioniche acustiche e le distorsioni nello spazio dei redshift. Ci aspettiamo che le nostre misure del clustering a redshift intermedi della struttura a larga scala saranno importanti per le misure della massa dei neutrini. Le misure che otterremo per le scale più grandi possono verificare che le perturbazioni iniziali nell’Universo seguano il modello più semplice o, in alternativa, mostrino correlazioni indicative di nuovi comportamenti fisici alle alte energie che corrispondono al primo secondo di vita dell’Universo. Le misure dettagliate del clustering delle galassie possono sfruttare il clustering gravitazionale per testare un’ampia gamma di estensioni del modello cosmologico standard. Oltre la cosmologia, DESI misurerà le distanze precise di milioni di galassie e quasar, che permetteranno di interpretare meglio le loro proprietà e demografia. DESI produrrà anche la mappa più dettagliata dell’Universo locale, la quale sarà la colonna portante di studi di gruppi e ammassi di galassie e di fenomeni estremi in queste galassie. Gli studi di spettroscopia stellare in DESI misureranno lo stato dinamico dell’alone di materia oscura e del disco spesso della Via Lattea in grande dettaglio.
