Cosmologia é o estudo das leis do Universo e de seu conteúdo, usando medidas da distribuição de matéria e radiação no espaço, como em um gigantesco laboratório. Em especial, cosmólogos e cosmólogas buscam entender qual é a composição do Universo, a sua origem e como as ricas estruturas que observamos hoje—como por exemplo, as galáxias—se formaram a partir das condições iniciais do Universo, bilhões de anos atrás.
A cosmologia moderna se baseia em importantes conjuntos de observações, ou conjunto de dados. Focaremos aqui em seus três pilares mais importantes: a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, Cosmic Microwave Background em inglês), o levantamento em grandes escalas da distribuição de galáxias e as medidas de luminosidade de supernovas a diferentes distâncias. A CMB é a luz (ou fótons) que sobrou a partir do momento em que o Universo se tornou frio o suficiente para formar seus primeiros átomos, aproximadamente 380.000 anos após o Big Bang. A densidade de energia do Universo naquela época ficou impressa na luz que chega até nós desde então e permanece essencialmente inalterada, como se fosse uma foto do Universo bebê. Já o Universo adolescente pode ser estudado por meio de levantamentos da distribuição de galáxias em grandes escalas, com os quais conseguimos medir as sutis correlações no mapa de posição das galáxias. Por fim, os estudos de supernovas usam explosões de um tipo específico de estrelas, conhecidos como “velas-padrão”, que possuem um padrão de liberação de energia bem compreendido para estudar o comportamento Universo recente.
Esses métodos combinados nos mostraram que o Universo tem aproximadamente 14 bilhões de anos e é composto por cerca de 5% de matéria comum (como hidrogênio, hélio etc.), 27% de matéria escura, que se atrai gravitacionalmente mas não interage com a luz, e 68% de energia escura, cuja natureza é misteriosa e age como uma densidade de energia constante associada ao espaço vazio (“o vácuo”) e tem pressão negativa.
O experimento DESI procura investigar este termo de energia escura. A maioria das substâncias familiares tem pressão positiva: se você pressionar um balão, ele irá empurrar sua mão para trás. Se você comprimir a energia escura, ela tende a se contrair ainda mais; por outro lado, se você a descomprimir, a energia escura tenderá a se expandir mais. Portanto, ela é capaz de impulsionar a expansão acelerada do próprio espaço-tempo, um fato que descobrimos inicialmente ao observarmos supernovas e agora investigamos em mais detalhes estudando distribuições de galáxias. Infelizmente, a matéria escura não é prevista pelo Modelo Padrão de Física de Partículas e a sua natureza essencial permanece desconhecida.
Físicas e físicos teóricos vêm propondo várias possibilidades para explicar a aceleração cósmica. Entretanto, todos esses modelos possuem desafios ou limitações. A explicação mais aceita atualmente implica na existência de uma constante cosmológica, proposta originalmente por Albert Einstein. Dentro desse modelo, o espaço seria intrinsecamente preenchido por um nível mínimo de energia de vácuo, resultante de um pequeno desequilíbrio em fenômenos da mecânica quântica. Contudo, não sabemos por que o valor da constante cosmológica seria tão pequeno mas não nulo, e nem conseguimos derivá-lo de nossas teorias básicas.
Há outras ideias além do modelo padrão, mas que envolvem novas forças da natureza, modificações da teoria da gravidade ou efeitos da gravidade quântica que não conhecemos bem. Todavia, algumas dessas teorias prevêem diferenças mensuráveis em observáveis cosmológicos e são essas diferenças que o DESI também pretende medir.
