A missão cosmológica primária do DESI é estudar a natureza da energia escura: como sua densidade de energia evolui no tempo e como ela afeta a distribuição de matéria? Para fazer isso, o DESI usará seus mapas para medir dois efeitos cosmológicos: as oscilações acústicas de bárions e as distorções no espaço de redshift. Os mesmos mapas também fornecerão outras oportunidades para estudar Cosmologia e Física de Galáxias, Quasares e Gás Intergaláctico.
Oscilações Acústicas de Bárions
O DESI é otimizado para medir um sinal sutil que está impresso em seus mapas. Este sinal é tudo o que restou de um importante processo físico ocorrido no início do Universo, as chamadas oscilações acústicas de bárions (BAO, do inglês Baryon Acoustic Oscillations). Para explicar esse efeito, devemos primeiro levar em consideração que o Universo é preenchido pela radiação cósmica de fundo em micro-ondas: o calor que sobrou do Big Bang. Hoje, a temperatura dessa radiação é de apenas 2,7K acima do zero absoluto, mas no passado era muito mais quente. 
Quando o Universo tinha menos de 400.000 anos, ele era mais de um bilhão de vezes mais denso do que é hoje e a radiação de fundo era quente o suficiente para fazer com que o hidrogênio e o hélio estivessem ionizados, separando os elétrons dos núcleos atômicos e formando um plasma (um gás de partículas ionizadas). Os elétrons eram facilmente espalhados pelos fótons que permeavam esse plasma. Os fótons forneciam uma pressão de radiação muito forte, capaz de resistir à compressão do gás. Assim, as perturbações de densidade criadas na primeira fração de segundo de vida do Universo viajaram como ondas sonoras neste plasma, ou como oscilações acústicas entre os bárions. A viagem dessas ondas durou cerca de 400.000 anos, terminando quando o Universo em expansão resfriou-se o suficiente para que os elétrons e núcleos se combinassem em átomos neutros. Neste ponto, as forças gravitacionais das perturbações de densidade passaram a dominar e começaram a dar forma às estruturas em grandes escalas que vemos hoje. Contudo, o efeito dessas ondas sonoras ainda podem ser medidos: em torno de cada região de sobredensidade há um tênue sinal da onda que deixou aquela região. Isso faz com que haja uma ligeira tendência para que os pares de galáxias estejam separados pela distância percorrida pelas ondas sonoras , de cerca de 500 milhões de anos-luz hoje, levando em conta a expansão do Universo. Essa tênue marca primordial foi observada em vários conjuntos de dados, principalmente no Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e em seu Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Essa correlação sutil é hoje um ator importante no estudo da energia escura.
Quando observamos uma amostra de galáxias em altos redshifts e detectamos sua escala de agrupamento preferencial, sabemos que a escala é de 500 milhões de anos-luz. Com isso, podemos inferir a distância entre nós e as galáxias. É como se o levantamento de redshifts nos desse um mapa sem uma conversão explícita de polegadas para quilômetros, mas, ao analisarmos cuidadosamente as distâncias entre as galáxias, podemos inferir o fator de escala correto. O DESI usará o BAO para medir a relação entre a distância e o redshift em uma ampla faixa de redshifts com precisão sub-percentual. Isso, por sua vez, nos permitirá inferir a história da expansão cósmica e a evolução da energia escura.
Distorções no espaço de redshift
Quando o DESI mede o redshift (desvio para o vermelho no espectro) das galáxias, esse desvio é na verdade causado por duas contribuições: a maior parte da variação deve-se à expansão do Universo e a menor parte resulta do movimento próprio da galáxia, por conta da atração gravitacional que a estrutura em grande escala ao seu redor exerce sobre ela. Esse movimento próprio é conhecido como velocidade peculiar. Ao medir a magnitude da velocidade peculiar, cientistas podem estimar a quantidade de matéria presente nas estruturas em grandes escalas.
Caso a velocidade peculiar também pode ser estimada através de outros métodos, podemos testar se a atração gravitacional em escalas de centenas de milhões de anos-luz seguem as previsões da Teoria da Relatividade Geral proposta por Albert Einstein. Testes da Relatividade Geral nessas escalas enormes são importantes, pois podem revelar indícios de explicações alternativas para a taxa de expansão acelerada do Universo, como no caso das chamadas Teorias da Gravidade Modificada. Nas maiores escalas cósmicas, descobrimos que a taxa de expansão está se comportando de uma forma muito diferente do que é previsto a partir das interações da matéria comum e da Física Básica que são tão bem testadas no nosso do Sistema Solar. Uma eventual discordância poderia revelar novos indícios na estrutura do Universo em grandes escalas.
A magnitude das velocidades peculiares pode ser medida nos mapas do DESI, ao se comparar as amplitudes de aglomerações de galáxias nas direções perpendiculares e paralelas à linha de visada. Isso é chamado de distorções no espaço de redshift. Como as estruturas em grandes escalas que estamos medindo dão origem às velocidades peculiares, há uma mudança sistemática na aparência dessas estruturas. Uma análise cuidadosa dos mapas do DESI pode revelar esses sinais com alta precisão.
DESI no panorama da energia escura
O enigma da energia escura e o encanto cada vez maior por Cosmologia continuam a motivar uma ampla gama de experimentos cosmológicos. O DESI é um dos mais ambiciosos experimentos em desenvolvimento e, uma vez em funcionamento, rapidamente se tornará o maior levantamento de redshift de galáxias do mundo. Os extraordinários mapas 3D do DESI já têm enorme valor, mas eles se tornam ainda mais eficazes quando combinados com levantamentos de imagens como, por exemplo, em comprimentos de onda vísiveis, infravermelhos, de micro-ondas e raios-X. Uma das marcas da Cosmologia Moderna é sua capacidade de medir propriedades cosmológicas de diferentes maneiras, já que a comparação de resultados pode reforçar a confiança que temos nas respostas obtidas e apontar para novos caminhos. Estamos ansiosos e ansiosas para o papel fundamental e colaborativo que DESI irá desempenhar no panorama da Cosmologia na próxima década, especialmente na investigação da natureza da energia escura.
Além da energia escura
Os mapas do DESI serão usados para diversas outras aplicações, além das oscilações acústicas de bárions e das distorções no espaço de redshift. Esperamos que nossas medidas de amplitude das estruturas em grandes escalas em redshifts intermediários sejam importantes para as calcular a soma das massas dos neutrinos. Com nossas medidas em grandes escalas, poderemos testar se as perturbações iniciais do Universo seguem o modelo cosmológico mais simples ou, por outro lado, se essas medidas revelam indícios de uma nova Física em altas energias para os primeiros instantes da história do Universo. Medidas detalhadas das distribuições de galáxias poderão ser usadas para testar uma ampla gama de alternativas ao modelo cosmológico padrão. Além da Cosmologia, o DESI medirá distâncias precisas para milhões de galáxias e quasares cujas propriedades e demografia poderão ser melhor interpretadas. O DESI irá produzir o mapa mais detalhado do Universo local até o momento, tornando-se a base de estudos de grupos e aglomerados de galáxias, bem como de fenômenos extremos dentro desses objetos astronômicos. Além disso, a espectroscopia estelar do DESI medirá a dinâmica do halo e do disco espesso da Via Láctea em detalhes.
