Aims. The Euclid space telescope will measure the shapes and redshifts of galaxies to reconstruct the expansion history of the Universe and the growth of cosmic structures. The estimation of the expected performance of the experiment, in terms of predicted constraints on cosmological parameters, has so far relied on various individual methodologies and numerical implementations, which were developed for different observational probes and for the combination thereof. In this paper we present validated forecasts, which combine both theoretical and observational ingredients for different cosmological probes. This work is presented to provide the community with reliable numerical codes and methods for Euclid cosmological forecasts. Methods. We describe in detail the methods adopted for Fisher matrix forecasts, which were applied to galaxy clustering, weak lensing, and the combination thereof. We estimated the required accuracy for Euclid forecasts and outline a methodology for their development. We then compare and improve different numerical implementations, reaching uncertainties on the errors of cosmological parameters that are less than the required precision in all cases. Furthermore, we provide details on the validated implementations, some of which are made publicly available, in different programming languages, together with a reference training-set of input and output matrices for a set of specific models. These can be used by the reader to validate their own implementations if required. Results. We present new cosmological forecasts for Euclid . We find that results depend on the specific cosmological model and remaining freedom in each setting, for example flat or non-flat spatial cosmologies, or different cuts at non-linear scales. The numerical implementations are now reliable for these settings. We present the results for an optimistic and a pessimistic choice for these types of settings. We demonstrate that the impact of cross-correlations is particularly relevant for models beyond a cosmological constant and may allow us to increase the dark energy figure of merit by at least a factor of three.

We present a new, updated version of the EuclidEmulator (called EuclidEmulator2), a fast and accurate predictor for the nonlinear correction of the matter power spectrum. Percent-level accurate emulation is now supported in the eight-dimensional parameter space of $w_0w_a$CDM$+\sum m_\nu$models between redshift $z=0$ and $z=3$ for spatial scales within the range 0.01 $h$/Mpc $\leq k \leq$ 10 $h$/Mpc. In order to achieve this level of accuracy, we have had to improve the quality of the underlying N-body simulations used as training data: (1) we use self-consistent linear evolution of non-dark matter species such as massive neutrinos, photons, dark energy and the metric field, (2) we perform the simulations in the so-called N-body gauge, which allows one to interpret the results in the framework of general relativity, (3) we run over 250 high-resolution simulations with $3000^3$ particles in boxes of 1 (Gpc/$h$)${}^3$ volumes based on paired-and-fixed initial conditions and (4) we provide a resolution correction that can be applied to emulated results as a post-processing step in order to drastically reduce systematic biases on small scales due to residual resolution effects in the simulations. We find that the inclusion of the dynamical dark energy parameter $w_a$ significantly increases the complexity and expense of creating the emulator. The high fidelity of EuclidEmulator2 is tested in various comparisons against N-body simulations as well as alternative fast predictors like Halofit, HMCode and CosmicEmu. A blind test is successfully performed against the Euclid Flagship v2.0 simulation. Nonlinear correction factors emulated with EuclidEmulator2 are accurate at the level of 1% or better for 0.01 $h$/Mpc $\leq k \leq$ 10 $h$/Mpc and $z\leq3$ compared to high-resolution dark matter only simulations. EuclidEmulator2 is publicly available at https://github.com/miknab/EuclidEmulator2 .

The combination and cross-correlation of the upcoming Euclid data with cosmic microwave background (CMB) measurements is a source of great expectation since it will provide the largest lever arm of epochs, ranging from recombination to structure formation across the entire past light cone. In this work, we present forecasts for the joint analysis of Euclid and CMB data on the cosmological parameters of the standard cosmological model and some of its extensions. This work expands and complements the recently published forecasts based on Euclid -specific probes, namely galaxy clustering, weak lensing, and their cross-correlation. With some assumptions on the specifications of current and future CMB experiments, the predicted constraints are obtained from both a standard Fisher formalism and a posterior-fitting approach based on actual CMB data. Compared to a Euclid -only analysis, the addition of CMB data leads to a substantial impact on constraints for all cosmological parameters of the standard Λ-cold-dark-matter model, with improvements reaching up to a factor of ten. For the parameters of extended models, which include a redshift-dependent dark energy equation of state, non-zero curvature, and a phenomenological modification of gravity, improvements can be of the order of two to three, reaching higher than ten in some cases. The results highlight the crucial importance for cosmological constraints of the combination and cross-correlation of Euclid probes with CMB data.

Context. While Euclid is an ESA mission specifically designed to investigate the nature of dark energy and dark matter, the planned unprecedented combination of survey area (∼15 000 deg 2 ), spatial resolution, low sky-background, and depth also make Euclid an excellent space observatory for the study of the low surface brightness Universe. Scientific exploitation of the extended low surface brightness structures requires dedicated calibration procedures that are yet to be tested. Aims. We investigate the capabilities of Euclid to detect extended low surface brightness structure by identifying and quantifying sky-background sources and stray-light contamination. We test the feasibility of generating sky flat-fields to reduce large-scale residual gradients in order to reveal the extended emission of galaxies observed in the Euclid survey. Methods. We simulated a realistic set of Euclid /VIS observations, taking into account both instrumental and astronomical sources of contamination, including cosmic rays, stray-light, zodiacal light, interstellar medium, and the cosmic infrared background, while simulating the effects of background sources in the field of view. Results. We demonstrate that a combination of calibration lamps, sky flats, and self-calibration would enable recovery of emission at a limiting surface brightness magnitude of μ lim = 29.5 −0.27 +0.08 mag arcsec −2 (3 σ , 10 × 10 arcsec 2 ) in the Wide Survey, and it would reach regions deeper by 2 mag in the Deep Surveys. Conclusions.Euclid /VIS has the potential to be an excellent low surface brightness observatory. Covering the gap between pixel-to-pixel calibration lamp flats and self-calibration observations for large scales, the application of sky flat-fielding will enhance the sensitivity of the VIS detector at scales larger than 1″, up to the size of the field of view, enabling Euclid to detect extended surface brightness structures below μ lim = 31 mag arcsec −2 and beyond.

The Complete Calibration of the Colour-Redshift Relation survey (C3R2) is a spectroscopic effort involving ESO and Keck facilities designed to empirically calibrate the galaxy colour-redshift relation - P(z|C) to the Euclid depth (i_AB=24.5) and is intimately linked to upcoming Stage IV dark energy missions based on weak lensing cosmology. The aim is to build a spectroscopic calibration sample that is as representative as possible of the galaxies of the Euclid weak lensing sample. In order to minimise the number of spectroscopic observations to fill the gaps in current knowledge of the P(z|C), self-organising map (SOM) representations of the galaxy colour space have been constructed. Here we present the first results of an ESO@ VLT Large Programme approved in the context of C3R2, which makes use of the two VLT optical and near-infrared multi-object spectrographs, FORS2 and KMOS. This paper focuses on high-quality spectroscopic redshifts of high-z galaxies observed with the KMOS spectrograph in the H- and K-bands. A total of 424 highly-reliable z are measured in the 1.3<=z<=2.5 range, with total success rates of 60.7% in the H-band and 32.8% in the K-band. The newly determined z fill 55% of high and 35% of lower priority empty SOM grid cells. We measured Halpha fluxes in a 1."2 radius aperture from the spectra of the spectroscopically confirmed galaxies and converted them into star formation rates. In addition, we performed an SED fitting analysis on the same sample in order to derive stellar masses, E(B-V), total magnitudes, and SFRs. We combine the results obtained from the spectra with those derived via SED fitting, and we show that the spectroscopic failures come from either weakly star-forming galaxies (at z<1.7, i.e. in the H-band) or low S/N spectra (in the K-band) of z>2 galaxies.

The accuracy of photometric redshifts (photo-zs) particularly affects the results of the analyses of galaxy clustering with photometrically-selected galaxies (GCph) and weak lensing. In the next decade, space missions like Euclid will collect photometric measurements for millions of galaxies. These data should be complemented with upcoming ground-based observations to derive precise and accurate photo-zs. In this paper, we explore how the tomographic redshift binning and depth of ground-based observations will affect the cosmological constraints expected from Euclid. We focus on GCph and extend the study to include galaxy-galaxy lensing (GGL). We add a layer of complexity to the analysis by simulating several realistic photo-z distributions based on the Euclid Consortium Flagship simulation and using a machine learning photo-z algorithm. We use the Fisher matrix formalism and these galaxy samples to study the cosmological constraining power as a function of redshift binning, survey depth, and photo-z accuracy. We find that bins with equal width in redshift provide a higher Figure of Merit (FoM) than equipopulated bins and that increasing the number of redshift bins from 10 to 13 improves the FoM by 35% and 15% for GCph and its combination with GGL, respectively. For GCph, an increase of the survey depth provides a higher FoM. But the addition of faint galaxies beyond the limit of the spectroscopic training data decreases the FoM due to the spurious photo-zs. When combining both probes, the number density of the sample, which is set by the survey depth, is the main factor driving the variations in the FoM. We conclude that there is more information that can be extracted beyond the nominal 10 tomographic redshift bins of Euclid and that we should be cautious when adding faint galaxies into our sample, since they can degrade the cosmological constraints.

The Copernican principle, the notion that we are not at a special location in the Universe, is one of the cornerstones of modern cosmology and its violation would invalidate the Friedmann-Lema\^{\i}tre-Robertson-Walker (FLRW) metric, causing a major change in our understanding of the Universe. Thus, it is of fundamental importance to perform observational tests of this principle. We determine the precision with which future surveys will be able to test the Copernican principle and their ability to detect any possible violations. We forecast constraints on the inhomogeneous Lema\^{\i}tre-Tolman-Bondi model with a cosmological constant $\Lambda$ ($\Lambda$LTB), basically a cosmological constant $\Lambda$ and cold dark matter ($\Lambda$CDM) model, but endowed with a spherical inhomogeneity. We consider combinations of currently available data and simulated Euclid data, together with external data products, based on both $\Lambda$CDM and $\Lambda$LTB fiducial models. These constraints are compared to the expectations from the Copernican principle. When considering the $\Lambda$CDM fiducial model, we find that Euclid data, in combination with other current and forthcoming surveys, will improve the constraints on the Copernican principle by about $30\%$, with $\pm10\%$ variations depending on the observables and scales considered. On the other hand, when considering a $\Lambda$LTB fiducial model, we find that future Euclid data, combined with other current and forthcoming data sets, will be able to detect Gpc-scale inhomogeneities of contrast $-0.1$. Next-generation surveys, such as Euclid, will thoroughly test homogeneity at large scales, tightening the constraints on possible violations of the Copernican principle.

Primordial features, in particular oscillatory signals, imprinted in the primordial power spectrum of density perturbations represent a clear window of opportunity for detecting new physics at high-energy scales. Future spectroscopic and photometric measurements from the $Euclid$ space mission will provide unique constraints on the primordial power spectrum, thanks to the redshift coverage and high-accuracy measurement of nonlinear scales, thus allowing us to investigate deviations from the standard power-law primordial power spectrum. We consider two models with primordial undamped oscillations superimposed on the matter power spectrum, one linearly spaced in $k$-space the other logarithmically spaced in $k$-space. We forecast uncertainties applying a Fisher matrix method to spectroscopic galaxy clustering, weak lensing, photometric galaxy clustering, cross correlation between photometric probes, spectroscopic galaxy clustering bispectrum, CMB temperature and $E$-mode polarization, temperature-polarization cross correlation, and CMB weak lensing. We also study a nonlinear density reconstruction method to retrieve the oscillatory signals in the primordial power spectrum. We find the following percentage relative errors in the feature amplitude with $Euclid$ primary probes for the linear (logarithmic) feature model: 21% (22%) in the pessimistic settings and 18% (18%) in the optimistic settings at 68.3% confidence level (CL) using GC$_{\rm sp}$+WL+GC$_{\rm ph}$+XC. Combining all the sources of information explored expected from $Euclid$ in combination with future SO-like CMB experiment, we forecast ${\cal A}_{\rm lin} \simeq 0.010 \pm 0.001$ at 68.3% CL and ${\cal A}_{\rm log} \simeq 0.010 \pm 0.001$ for GC$_{\rm sp}$(PS rec + BS)+WL+GC$_{\rm ph}$+XC+SO-like both for the optimistic and pessimistic settings over the frequency range $(1,\,10^{2.1})$.

Verifying the fully kinematic nature of the cosmic microwave background (CMB) dipole is of fundamental importance in cosmology. In the standard cosmological model with the Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) metric from the inflationary expansion the CMB dipole should be entirely kinematic. Any non-kinematic CMB dipole component would thus reflect the preinflationary structure of spacetime probing the extent of the FLRW applicability. Cosmic backgrounds from galaxies after the matter-radiation decoupling, should have kinematic dipole component identical in velocity with the CMB kinematic dipole. Comparing the two can lead to isolating the CMB non-kinematic dipole. It was recently proposed that such measurement can be done using the near-IR cosmic infrared background (CIB) measured with the currently operating Euclid telescope, and later with Roman. The proposed method reconstructs the resolved CIB, the Integrated Galaxy Light (IGL), from Euclid's Wide Survey and probes its dipole, with a kinematic component amplified over that of the CMB by the Compton-Getting effect. The amplification coupled with the extensive galaxy samples forming the IGL would determine the CIB dipole with an overwhelming signal/noise, isolating its direction to sub-degree accuracy. We develop details of the method for Euclid's Wide Survey in 4 bands spanning 0.6 to 2 mic. We isolate the systematic and other uncertainties and present methodologies to minimize them, after confining the sample to the magnitude range with negligible IGL/CIB dipole from galaxy clustering. These include the required star-galaxy separation, accounting for the extinction correction dipole using the method newly developed here achieving total separation, accounting for the Earth's orbital motion and other systematic effects. (Abridged)

This paper presents the specification, design, and development of the Visible Camera (VIS) on the ESA Euclid mission. VIS is a large optical-band imager with a field of view of 0.54 deg^2 sampled at 0.1" with an array of 609 Megapixels and spatial resolution of 0.18". It will be used to survey approximately 14,000 deg^2 of extragalactic sky to measure the distortion of galaxies in the redshift range z=0.1-1.5 resulting from weak gravitational lensing, one of the two principal cosmology probes of Euclid. With photometric redshifts, the distribution of dark matter can be mapped in three dimensions, and, from how this has changed with look-back time, the nature of dark energy and theories of gravity can be constrained. The entire VIS focal plane will be transmitted to provide the largest images of the Universe from space to date, reaching m_AB>24.5 with S/N >10 in a single broad I_E~(r+i+z) band over a six year survey. The particularly challenging aspects of the instrument are the control and calibration of observational biases, which lead to stringent performance requirements and calibration regimes. With its combination of spatial resolution, calibration knowledge, depth, and area covering most of the extra-Galactic sky, VIS will also provide a legacy data set for many other fields. This paper discusses the rationale behind the VIS concept and describes the instrument design and development before reporting the pre-launch performance derived from ground calibrations and brief results from the in-orbit commissioning. VIS should reach fainter than m_AB=25 with S/N>10 for galaxies of full-width half-maximum of 0.3" in a 1.3" diameter aperture over the Wide Survey, and m_AB>26.4 for a Deep Survey that will cover more than 50 deg^2. The paper also describes how VIS works with the other Euclid components of survey, telescope, and science data processing to extract the cosmological information.