Illuminating the Physics of Cosmic Origin and Evolution: A UK Space Frontiers 2035 White Paper

Sintesi Tecnica: SIRMOS – Satellite per la Spettroscopia Multi-Oggetto nell'Infrarosso

Problematica
L'attuale comprensione cosmologica affronta tre lacune fondamentali riguardanti l'origine e l'evoluzione dell'Universo: la fisica specifica dell'inflazione cosmica, la natura dell'energia oscura (DE) che guida l'attuale espansione accelerata e la scala di massa assoluta dei neutrini. Sebbene la Radiazione Cosmica di Fondo (CMB) e i rilievi di galassie a basso redshift ($z \lesssim 2$) abbiano fatto avanzare il campo, essi mancano della sensibilità necessaria per distinguere tra modelli competitivi in regimi critici.

• Inflazione: Le misurazioni attuali della non-gaussianità primordiale ($f_{NL}$) sono insufficienti per escludere i modelli di inflazione a più campi rispetto a quelli a campo singolo.
• Energia Oscura: Recenti indizi di un'equazione di stato dell'energia oscura evolutiva ($w(z)$) e di un comportamento "fantasma" ($w < -1$) ad alti redshift ($1.5 \lesssim z \lesssim 4$) rimangono non confermati a causa della mancanza di dati spettroscopici in questo "gap di redshift". I rilievi esistenti si affidano inoltre a parametrizzazioni fenomenologiche (CPL) che possono introdurre bias nella selezione del modello.
• Massa dei Neutrini: I vincoli cosmologici attuali sulla somma delle masse dei neutrini ($\sum m_\nu$) non sono abbastanza precisi da rilevare lo scenario di massa minima ($\sim 0,06$ eV) con un'alta significatività, lasciando indeterminata la gerarchia di massa.

Le osservazioni da terra sono ulteriormente limitate dall'assorbimento atmosferico, dalla trasmissione variabile e dalle linee di emissione del cielo OH, che frammentano la finestra spettrale del vicino infrarosso (NIR) e introducono incertezze sistematiche difficili da modellare per misurazioni su scala ultra-grande.

Metodologia e Concetto di Missione
Il documento propone SIRMOS (Satellite for InfraRed Multi-Object Spectroscopy), una missione di classe NASA MIDEX progettata per condurre un rilievo spettroscopico ad ampio campo e alto rendimento.

• Ambito del Rilievo: La missione mira a un'area di cielo di 14.000 deg², coprendo l'intervallo di redshift $1 < z < 4$. L'obiettivo è ottenere redshift spettroscopici per oltre $10^8$ (100 milioni) di galassie, creando una mappa 3D densa e omogenea della struttura cosmica con un volume di $\sim 500$ Gpc³.
• Strumentazione:
  • Telescopio: Un telescopio off-axis, tutto riflettente, di 60 cm di diametro, raffreddato a 140 K per minimizzare il background termico. Presenta un campo visivo (FoV) di $\sim 1$ deg².
  • Spettroscopia: Utilizza un Digital Micro-mirror Device (DMD) per selezionare e dirigere simultaneamente la luce da $\sim 4.000$ target verso uno spettrometro. Ciò consente una spettroscopia a fessura ad alta molteplicità.
  • Detector: Lo spettrometro utilizza un array di piano focale HgCdTe Teledyne HAWAII-4RG (H4RG) 4K$\times$4K, che offre una copertura di lunghezza d'onda continua da 1,25 a 2,5 $\mu$m a risoluzione moderata.
  • Imager: Un imager off-axis monitora le stelle di allineamento per garantire che il pattern di fessure del DMD si allinei con le posizioni nel cielo entro 0,1 arcosecondi.
• Strategia Operativa: La missione opererà in un'orbita eliosincrona. Per raggiungere l'obiettivo di $10^8$ spettri, ogni campo sarà osservato per un totale di 51 minuti, suddivisi in tre visite da 17 minuti durante una missione primaria di 3 anni. Le galassie che raggiungono un rapporto segnale-rumore (S/N) $\ge 5$ saranno sostituite con nuovi target dopo ogni visita.
• Precisione del Redshift: L'approccio di spettroscopia a fessura mira a una precisione del redshift $\sigma_z/(1+z) \simeq 10^{-4}$, rappresentando un miglioramento di un ordine di grandezza rispetto alle missioni con grism senza fessura (come Euclid e Roman) ed è significativamente migliore rispetto alle missioni basate su filtri (come SPHEREx).

Contributi Chiave e Fattibilità Tecnica
Il documento delinea un'architettura di missione che sfrutta tecnologie già collaudate per affrontare i limiti delle strutture attuali e pianificate:

• Prontezza Tecnologica (TRL): Il carico utile si basa fortemente sull'eredità della missione SPHEREx per il bus spaziale e il design termico (radiatori a V-groove passivi). Il DMD, attualmente a TRL 5, è programmato per una dimostrazione con razzo nel 2026 per raggiungere il TRL 6. I restanti componenti del carico utile sono a TRL $\ge 6$.
• Soluzioni Ingegneristiche: Il team propone di sostituire la finestra ermeticamente sigillata del DMD con una trasparente alla radiazione NIR per consentire l'operatività oltre 1,0 $\mu$m, identificata come uno studio ingegneristico a basso rischio.
• Gestione dei Dati: La missione genera un volume di dati giornalieri gestibile (7,4 GB), ampiamente entro le capacità di un'antenna standard in banda Ka o anche di un ricevitore S-band a 2.000 kbps per downlink settimanali.
• Ruolo Strategico del Regno Unito: Il documento posiziona SIRMOS come un veicolo per la leadership del Regno Unito, proponendo che l'industia e l'accademia britanniche guidino la costruzione del telescopio e dei sistemi ottici, basandosi sull'esperienza acquisita con la missione Euclid e il DESI da terra.

Risultati Proiettati e Capacità Scientifiche
Le previsioni indicano che SIRMOS raggiungerà i seguenti traguardi scientifici:

1. Fisica dell'Inflazione: Il rilievo è proiettato per rilevare $|f_{NL}| = 1$ con un livello di significatività di $5\sigma$. Questa precisione è sufficiente per distinguere decisamente tra l'inflazione slow-roll a campo singolo ($f_{NL} \approx 0$) e i modelli di inflazione a più campi ($|f_{NL} \gtrsim 1$).
2. Evoluzione dell'Energia Oscura: Misurando la storia dell'espansione e la crescita della struttura tramite le oscillazioni acustiche dei barioni (BAO) e le distorsioni del redshift-spazio (RSD) nell'intervallo $1 < z < 4$, SIRMOS può distinguere tra una costante cosmologica e modelli di energia oscura evolutiva (inclusi scenari CPL e fantasma) senza fare affidamento sui dati delle Supernovae di Tipo Ia. Mira a risolvere gli indizi del comportamento "fantasma" osservati nei rilievi a redshift inferiore.
3. Massa dei Neutrini: Combinando l'analisi del power spectrum, del bispectrum e multi-tracer con i priori della CMB di Planck, la missione prevede un rilevamento dello scenario di massa minima dei neutrini ($\sum m_\nu = 0,057$ eV) con una significatività $> 10\sigma$, stabilendo così la scala di massa assoluta dei neutrini.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento afferma che SIRMOS rappresenta un'opportunità unica per applicare tecnologie testate a terra (DMD, grandi array di detector) nello spazio per risolvere questioni cosmologiche fondamentali che i rilievi da terra non possono affrontare a causa dei limiti atmosferici.

• Impatto Scientifico: Si rivendica di essere il primo rilievo capace di mappare l'Universo ad alto redshift ($1 < z < 4$) con la densità e la precisione spettroscopica necessarie per ricostruire l'evoluzione cosmica durante la transizione dalla dominanza della materia alla dominanza dell'energia oscura.
• Allineamento Strategico: La missione è presentata come un allineamento strategico degli obiettivi della UK Space Agency e della STFC, con l'obiettivo di dimostrare la capacità del Regno Unito in missioni spaziali end-to-end e rafforzare l'economia spaziale nazionale attraverso una partecipazione industriale ad alto valore.
• Sinergia: Oltre agli obiettivi cosmologici primari, il documento nota il potenziale della missione per contribuire alla comprensione dell'evoluzione delle galassie in ambienti ad alto redshift e per sondare le regioni della Via Lattea cariche di polvere, offrendo sinergie con le capacità NIR da terra guidate dal Regno Unito come MOONS.