DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) è un apparato eccezionale che è stato concepito per migliorare la nostra comprensione e il ruolo che ha l’energia oscura per l’espansione dell’Universo. Lo strumento misurerà il redshift di oltre 30 milioni di galassie e quasar con una precisione senza precedenti, realizzando una mappa 3D a partire dall’Universo vicino e spingendosi fino a 10 miliardi di anni luce. In questi giorni, il Dipartimento dell’Energia USA ha annunciato il via libera alla cosiddetta “Critical Decision 2” autorizzando il progetto scientifico, la sua programmazione e le relative risorse.
DESI esplorerà un volume molto grande dello spazio, 10 volte maggiore rispetto alla survey BOSS, e misurerà il redshift di determinate classi di oggetti, producendo dopo 5 anni una mappa 3D dell’Universo. Credit: DESI/LBL
La collaborazione DESI è costituita da 200 fisici e astronomi ed è basata presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). I ricercatori utilizzeranno un database di dati relativi al redshift di oltre 30 milioni di galassie e quasar per creare una mappa tridimensionale dell’Universo raggiungendo regioni remote dello spazio e del tempo come non era mai stato fatto prima. Questa mappa permetterà di ricavare nuovi indizi su come sia evoluta nel corso del tempo quella sorta di “battaglia cosmica” tra gravità ed energia oscura per formare la struttura dell’Universo. La capacità unica di DESI nel realizzare la mappa sarà resa possibile grazie alla tecnica della spettroscopia ottica. “DESI sarà in grado di misurare 5000 spettri alla volta osservando un campo di vista pari a 8 gradi quadrati, circa 40 volte l’area di cielo sottesa dalla Luna piena. DESI rappresenterà il leader mondiale nell’ambito delle osservazioni spettroscopiche”, dice Lori Allen direttrice del National Optical Astronomical Observatory (NOAO). “DESI sarà un peso massimo, sia letteralmente che scientificamente”, aggiunge David Sprayberry, project manager al NOAO per DESI. “Lo strumento peserà 5 tonnellate”.
Illustrazione del telescopio di 4m Mayall situato al Kitt Peak National Observatory con lo strumento DESI nel fuoco primario. Credit: DESI/KPNO/LBL
Per costruire la mappa, gli astronomi dovranno misurare il redshift degli oggetti astrofisici. Rappresentato con la lettera “z”, esso indica letteralmente lo spostamento dello spettro di un oggetto astrofisico verso lunghezze d’onda più lunghe (più rosse) ed è una misura diretta di quanto lo spazio si sta “allungando” a causa dell’espansione cosmica mentre la luce si propaga da una sorgente verso l’osservatore: in altre parole, maggiore è il redshift e più vecchio risulta l’oggetto. “Studieremo quattro classi di oggetti in modo da formare un intervallo continuo di redshift: galassie vicine brillanti fino a z=0,4; galassie rosse luminose fino a z=1; galassie con righe di emissione fino a z=1,6 e galassie e quasar molto distanti fino a z=3,5”, spiega Michael Levi, direttore del programma DESI presso la Divisione di Fisica al Berkeley Lab. A tal fine, lo strumento DESI sarà installato presso il telescopio Mayall di 4 metri situato al Kitt Peak National Observatory (KPNO) nei pressi di Tucson, Arizona e sarà in grado di catturare la luce che ha viaggiato per 12 miliardi di anni (che corrisponde a z=3,5).
«DESI utilizzerà una sorta di ‘impronta fossile’ lasciata dalla propagazione delle onde sonore durante i primi 400 mila anni dopo il Big Bang», dice Daniel Eisenstein della Harvard University e portavoce del progetto, «ancora visibile sottoforma di minuscole variazioni di temperatura presenti nella radiazione cosmica di fondo, in modo da studiare l’enigmatica composizione dell’Universo oggi». Quelle minime differenze di temperatura riflettono le variazioni primordiali della densità (onde sonore), che successivamente sono evolute per formare gli ammassi di galassie, il gas intergalattico e la materia oscura, con intervalli spaziali ricorrenti. Chiamate “oscillazioni acustiche barioniche” (BAO, Baryonic Acoustic Oscillations), si tratta di fluttuazioni periodiche e regolari della densità di materia barionica (visibile), una sorta di “righello standard” (circa 500 milioni di anni luce nell’Universo di oggi) che definisce la “scala della lunghezza” dell’Universo. Queste aggregazioni della materia regolarmente spaziate mantengono la loro consistenza nel corso del tempo e permettono di eseguire delle misure dirette dell’effetto dovuto all’energia oscura sull’espansione cosmica. «Lo studio delle oscillazioni acustiche barioniche rappresenta solo l’inizio di ciò che può fare DESI», aggiunge Risa Wechsler della Stanford University e del SLAC National Accelerator Laboratory, anch’ella portavoce del programma scientifico. «Dato che l’enorme aggregazione della massa produce importanti effetti gravitazionali sulle singole galassie, DESI potrà anche verificare l’accuratezza della relatività generale, la teoria di Einstein sulla gravità». Inoltre, assieme ad altri studi congiunti, DESI contribuirà a “pesare” la massa totale dei neutrini con una buona chance di individuare quale dei tre tipi noti di neutrini è quello più pesante. DESI permetterà anche di mettere a confronto vari modelli dell’inflazione cosmica, cioè quel brevissimo periodo di rapida espansione esponenziale, avvenuto una frazione di secondo dopo il Big Bang, che rese l’Universo straordinariamente uniforme in termini di composizione.
La tecnologia del progetto DESI è alquanto intrigante, cosi come la sua scienza.«Il telescopio Mayall è stato costruito come una specie di ‘nave da guerra», dice Natalie Roe direttrice della Divisione di Fisica del Berkeley Lab e membro del comitato esecutivo del progetto DESI. «Lo spettrometro renderà migliore questa ‘vecchia nave da guerra’ portandola al top delle proprie capacità operative». Gli obiettivi scientifici di DESI vanno al di là della cosmologia. Lo strumento sarà una macchina potente di scoperte in diverse aree dell’astrofisica, perciò grandi sono le aspettative da parte degli scienziati. «La survey che realizzerà DESI si spingerà verso territori inesplorati», dice Arjun Dey project scientist al NOAO per DESI. «In astronomia le più importanti scoperte scientifiche sono spesso quelle che meno ti aspetti». La survey che sarà realizzata da DESI rappresenta l’ultimo capitolo nella storia del NOAO per ciò che riguarda lo studio dell’energia oscura e rappresenterà un prezioso complemento ad altri programmi scientifici che sono seguiti dal Dipartimento dell’Energia, tra cui diverse partnership con la National Science Foundation (NSF) per ciò che riguarda i programmi di “imaging” come la Dark Energy Survey (DES), che utilizza la più potente camera digitale DECam installata al telescopio Blanco in Cile (il gemello del telescopio Mayall situato nel sud America) presso il Cerro Tololo Inter-American Observatory, e il Large Synoptic Survey Telescope (LSST), attualmente in corso di costruzione in Cile, la cui prima luce è prevista nel 2021. Insomma, DESI rappresenterà una sorta di proseguimento della Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) della Sloan Digital Sky Survey, ma in termini di volume e spazio esplorato essa sarà 10 volte più grande.
Infine, bisogna ricordare che la chiave del successo di questo programma scientifico deriva da una robusta collaborazione internazionale supportata da diverse organizzazioni, tra cui 31 università e 18 governi e istituzioni privati sia americane che straniere. A partire dal 2019 il Dipartimento dell’Energia supporterà pienamente tutte le operazioni del telescopio durante la sua missione quinquennale della survey DESI. “In un’epoca in cui ogni dollaro della ricerca federale deve contare, NOAO si sta impegnando in una serie di programmi di ricerca che forniranno in maniera efficiente un’enorme mole di dati alla comunità astronomica americana e non solo sia per scopi esplorativi che sperimentali”, conclude Robert Blum, vice direttore del NOAO.
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