Come funziona DESI

L’idea in un ciclo

Tutto cio che DESI fa ripete un ciclo:

scegliere 5.000 galassie -> raccogliere separatamente la luce di ciascuna -> scomporre quella luce nei suoi colori -> misurare il redshift -> collocare la galassia in una mappa 3D.

Fallo per milioni di oggetti, attraverso il cielo e attraverso il tempo cosmico, e la mappa che emerge porta l’impronta di come l’universo si e espanso.

Scegliere che cosa osservare

DESI non scandaglia il cielo alla cieca. Parte da grandi immagini di survey gia disponibili e seleziona i bersagli piu utili in base a luminosita, forma e colore. Le catture principali sono:

• galassie luminose, relativamente vicine;
• galassie rosse luminose, massicce e piu lontane;
• galassie a righe di emissione, i cui spettri portano caratteristiche nette e facili da riconoscere;
• quasar, fari brillanti usati per sondare l’universo piu distante e il gas che si trova tra noi e loro.

I colori danno una stima grezza del tipo di oggetto e della sua distanza. DESI poi fa la misura precisa con i suoi spettrografi.

Cinquemila robot e fibre

DESI si trova sul Nicholas U. Mayall Telescope da 4 metri a Kitt Peak, in Arizona. Un insieme di grandi lenti concentra la luce su un piano focale curvo largo circa 0,8 metri, che copre una porzione di cielo ampia circa 3 gradi: un campo enorme per uno spettrografo.

Quel piano focale e diviso in dieci sezioni a cuneo, e ciascuna contiene 500 piccoli robot: 5.000 posizionatori robotici in totale. Ogni robot porta la punta di una sottile fibra ottica. Prima di ogni esposizione, il software calcola dove cadra ogni bersaglio sul piano focale e muove ogni fibra sul suo bersaglio: come mettere 5.000 cannucce microscopiche sopra 5.000 punti di luce in una volta sola. Le fibre vicine devono evitare collisioni, quindi non tutti i bersagli in una zona affollata possono essere presi in un solo passaggio; il cielo viene rivisitato con assegnazioni diverse.

Dalla luce allo spettro

Durante l’esposizione, ogni fibra raccoglie la luce dell’unico oggetto verso cui e puntata. La luce poi viaggia lungo fasci di fibre fino a dieci spettrografi, ciascuno alimentato da 500 fibre. Ogni spettrografo distribuisce la luce in tre bande di lunghezza d’onda, dal vicino ultravioletto al vicino infrarosso, circa da 360 a 980 nanometri.

Il risultato non e una fotografia, ma uno spettro per ogni oggetto: una curva di luminosita contro lunghezza d’onda, con picchi e avvallamenti dove elementi chimici, stelle e gas emettono o assorbono luce.

Dallo spettro al redshift

Quelle righe spettrali hanno lunghezze d’onda misurate in laboratorio. In una galassia lontana arrivano stirate verso lunghezze d’onda maggiori, perche l’espansione dell’universo ha stirato la luce durante il viaggio verso di noi. La quantita di stiramento e il redshift, z:

z = (lunghezza d’onda osservata - lunghezza d’onda emessa) / lunghezza d’onda emessa.

Se una riga che dovrebbe stare a 500 nm viene vista a 750 nm, il suo redshift e (750 - 500) / 500 = 0,5. Un redshift cosmologico piu grande significa in genere luce piu antica, da piu lontano. La pipeline di DESI calibra ogni spettro, identifica l’oggetto e riporta un redshift insieme all’affidabilita di quella misura.

Dai redshift a una mappa 3D

Per ogni galassia DESI conosce due angoli nel cielo e, dal redshift, approssimativamente quanto lontano si trovi lungo la linea di vista. Impila milioni di misure di questo tipo e appare la ragnatela cosmica: filamenti di galassie, ammassi densi, pareti simili a fogli e grandi vuoti quasi privi di materia.

C’e una sottigliezza. Un redshift non e automaticamente una distanza esatta: trasformarlo in distanza richiede sapere come l’universo si e espanso. E quella storia dell’espansione e proprio cio che DESI sta cercando di misurare. La mappa e la misura sono lo stesso problema visto da due lati.

Come una mappa diventa una misura dell’energia oscura

DESI legge l’energia oscura soprattutto da due caratteristiche statistiche della mappa.

La prima e l’oscillazione acustica barionica, o BAO: un righello standard congelato nell’universo primordiale. Prima che esistessero le stelle, onde di pressione attraversavano il plasma caldo di materia e luce; quando l’universo si raffreddo e le onde si fermarono, lasciarono una separazione leggermente preferita tra le galassie, una scala comovente di circa 490 milioni di anni luce, cioe una distanza espressa togliendo l’effetto dell’espansione dell’universo, cosi da poterla confrontare tra epoche diverse. Poiche quella lunghezza vera e nota dalla fisica dell’universo primordiale, DESI puo misurare quanto grande appare il righello a redshift diversi, nel cielo e lungo la linea di vista, e ricostruire quanto rapidamente l’universo si espandeva in ogni epoca. Se l’energia oscura e cambiata nel tempo cosmico, compare come un cambiamento in quella storia dell’espansione.

La seconda sono le distorsioni nello spazio dei redshift, o RSD. Le galassie non si limitano a seguire l’espansione cosmica; cadono anche verso ammassi e filamenti. Quei movimenti aggiuntivi spostano leggermente i redshift e schiacciano statisticamente la ragnatela cosmica lungo la linea di vista. Quanto e forte l’effetto dice quanto rapidamente le strutture crescono sotto la gravita, crescita che l’espansione accelerata tende a rallentare. Confrontare le due misure permette ai cosmologi di testare gravita e modelli di energia oscura l’uno contro l’altro.

Quindi l’energia oscura non viene mai vista direttamente. Viene inferita da come il tasso di espansione cambia nel tempo, misurato contro il righello acustico e la crescita delle strutture.

Che cosa DESI non fa

DESI non rileva particelle di energia oscura, non fotografa una sostanza invisibile e non misura direttamente la distanza di ogni galassia con un telemetro. Cio che misura molto bene sono spettri, redshift, la distribuzione statistica delle galassie e il modo in cui quella distribuzione cambia con l’epoca cosmica. L’energia oscura e la spiegazione fisica messa alla prova quando quelle misure vengono confrontate con i modelli cosmologici: non qualcosa che lo strumento registra.

In una frase

DESI legge i codici a barre luminosi di milioni di galassie, costruisce dai loro redshift una mappa tridimensionale dell’universo e cerca nel disegno di quella mappa le tracce di come l’espansione cosmica e cambiata nel tempo.