Cosmologia Fondamentale con la Foresta Lyman α: Rilevare il Fotone Oscuro come particella di Materia Oscura e Misurare l'Espansione dell'Universo

The absorption line patterns imprinted in the spectra of bright distant quasars are a powerful probe of cosmology and fundamental physics. These spectral features arise from the interaction of quasar light with the diffuse intergalactic medium (IGM), where neutral hydrogen and heavy elements absorb photons at specific rest-frame wavelengths and create absorption lines that retain the physical and gas dynamical information about their environment. In this thesis, the Lyman-α forest of neutral hydrogen has been exploited as a cosmic laboratory for fundamental physics and precision cosmology, focusing in particular on two topics. The first part of the thesis constrains exotic dark matter scenarios, in particular Dark Photon Dark Matter. These hypothetical particles belong to the dark sector and can kinetically mix with photons in the IGM, leading to oscillations that inject thermal energy into under-dense gas. Such heating leaves a detectable imprint in the Lyman-α forest. Using state-of-the-art hydrodynamical simulations enriched with dark photon phenomenology, I explored the subtle effects of this process. A novel statistical method was developed to compare simulated sightlines with the ultra-high signal-to-noise UVES spectrum of quasar HE0940-1050 (z = 3.07). This approach enabled sensitivity to faint Lyman-α lines arising from under-dense gas. By generating tens of thousands of mock spectra across a wide dark photon parameter space, I placed the most stringent constraints to date on these models. The results show that while much of the parameter space is now excluded, the dark photon remains a viable candidate for resolving the long-standing tension between simulated and observed IGM temperatures at low redshift. The second part of the thesis contributes to the cosmological redshift drift experiment, a direct and model-independent probe of cosmic expansion. In an accelerating universe, the redshift of a distant source at fixed comoving distance evolves with time. The Lyman-α forest provides an ideal laboratory for this measurement, as it is stable over centuries and each absorption line acts as a comoving marker. I have carried out the first three epochs of this experiment by obtaining 22 hours of ESPRESSO observations of the bright quasar J052915.80-435152.0 (z=3.96) and 9 hours of J212540.97-171951.4 (z=3.89). Detailed modelling of hydrogen and metal absorption lines was performed to assess systematics in the reduction pipeline and to validate the achievable precision. The data are consistent with no measurable redshift drift over the short observational baseline, as expected, and the analysis confirms that the measurement uncertainties scale according to theoretical predictions. The current data provides the first epochs of the long-term measurement of the redshift drift that is expected to produce a detection by $\sim2070$ with the next generation of extremely large telescopes. Together, these results highlight the potential of quasar spectroscopy as precision tools for both fundamental physics and cosmology. The constraints on dark photon dark matter advance our understanding of viable dark sector models and particle dark matter candidates, while the groundwork for the redshift drift experiment establishes the foundations for a decades-long international effort to directly measure the expansion of the Universe with the ELT.

Le strutture di righe di assorbimento impresse negli spettri dei quasar lontani e luminosi rappresentano una potente sonda per la cosmologia e per la fisica fondamentale. Queste caratteristiche spettrali nascono dall’interazione della luce dei quasar con il mezzo intergalattico diffuso (IGM), in cui l’idrogeno neutro e gli elementi pesanti assorbono fotoni a determinate lunghezze d’onda, generando righe di assorbimento che conservano preziose informazioni fisiche e dinamiche sull’ambiente circostante. In questa tesi, la foresta di Lyman-α dell’idrogeno neutro è stata utilizzata come laboratorio cosmico per indagare questioni di fisica fondamentale e cosmologia di precisione, concentrandosi in particolare su due tematiche principali. La prima parte della tesi è dedicata alla ricerca di vincoli su scenari di materia oscura esotica, con particolare attenzione alla cosiddetta Dark Photon Dark Matter. Queste particelle ipotetiche appartengono al settore oscuro e possono mescolarsi cinematicamente con i fotoni dell’IGM, producendo oscillazioni che riscaldano il gas meno denso. Tale processo lascia un’impronta osservabile nella foresta di Lyman-α. Attraverso simulazioni idrodinamiche allo stato dell’arte, arricchite con la fenomenologia dei fotoni oscuri, ho analizzato in dettaglio i sottili effetti di questo riscaldamento. È stato sviluppato un nuovo metodo statistico per confrontare le linee di vista simulate con lo spettro UVES ad altissimo rapporto segnale-rumore del quasar HE0940-1050 (z = 3.07). Questo approccio ha permesso di raggiungere una sensibilità sufficiente a rilevare righe di Lyman-α deboli provenienti da regioni di gas sotto-denso. Generando decine di migliaia di spettri sintetici su un ampio spazio di parametri del fotone oscuro, ho ottenuto i vincoli più stringenti finora disponibili su questi modelli. I risultati mostrano che, sebbene gran parte dello spazio dei parametri sia ormai esclusa, il fotone oscuro rimane un candidato credibile per spiegare la persistente discrepanza tra le temperature simulate e quelle osservate dell’IGM a basso redshift. La seconda parte della tesi contribuisce all’esperimento sul redshift drift cosmologico, una misura diretta e indipendente dal modello dell’espansione dell’Universo. In un cosmo in accelerazione, il redshift di una sorgente distante a distanza comovente fissa varia nel tempo. La foresta di Lyman-α costituisce un laboratorio ideale per questa misura, poiché è stabile su scale temporali secolari e ogni riga di assorbimento funge da marcatore comovente. Ho realizzato le prime tre epoche di questo esperimento ottenendo 22 ore di osservazioni con ESPRESSO del brillante quasar J052915.80-435152.0 (z = 3.96) e 9 ore del quasar J212540.97-171951.4 (z = 3.89). Un’analisi dettagliata delle righe di assorbimento dell’idrogeno e dei metalli ha permesso di valutare gli effetti sistematici nella riduzione dei dati e di verificare la precisione raggiungibile. I risultati sono coerenti con l’assenza di un redshift drift misurabile sull’attuale intervallo temporale, come previsto, e confermano che le incertezze sperimentali si comportano in accordo con le stime teoriche. Questi dati rappresentano le prime epoche della misura a lungo termine del redshift drift, la cui rilevazione diretta è attesa intorno al 2070 con la prossima generazione di telescopi estremamente grandi. Nel complesso, i risultati di questa ricerca mettono in luce il grande potenziale della spettroscopia dei quasar come strumento di precisione per la fisica fondamentale e la cosmologia. I vincoli ottenuti sulla materia oscura a fotone oscuro migliorano la nostra comprensione dei modelli plausibili del settore oscuro, mentre le basi gettate per l’esperimento sul redshift drift costituiscono il primo passo di un impegno scientifico internazionale destinato a culminare, con l’ELT, nella misura diretta dell’espansione dell’Universo.