Despite its continued observational successes, there is a persistent (and growing) interest in extending cosmology beyond the standard model, ΛCDM. This is motivated by a range of apparently serious theoretical issues, involving such questions as the cosmological constant problem, the particle nature of dark matter, the validity of general relativity on large scales, the existence of anomalies in the CMB and on small scales, and the predictivity and testability of the inflationary paradigm. In this paper, we summarize the current status of ΛCDM as a physical theory, and review investigations into possible alternatives along a number of different lines, with a particular focus on highlighting the most promising directions. While the fundamental problems are proving reluctant to yield, the study of alternative cosmologies has led to considerable progress, with much more to come if hopes about forthcoming high-precision observations and new theoretical ideas are fulfilled.

We present a framework for forecasting cosmological constraints from future neutral hydrogen intensity mapping experiments at low to intermediate redshifts. In the process, we establish a simple way of comparing such surveys with optical galaxy redshift surveys. We explore a wide range of experimental configurations and assess how well a number of cosmological observables (the expansion rate, growth rate, and angular diameter distance) and parameters (the densities of dark energy and dark matter, spatial curvature, the dark energy equation of state, etc.) will be measured by an extensive roster of upcoming experiments. A number of potential contaminants and systematic effects are also studied in detail. The overall picture is encouraging—if autocorrelation calibration can be controlled to a sufficient level, Phase I of the Square Kilometre Array should be able to constrain the dark energy equation of state about as well as a DETF Stage IV galaxy redshift survey like Euclid, in roughly the same time frame.

Abstract We present a detailed overview of the cosmological surveys that we aim to carry out with Phase 1 of the Square Kilometre Array (SKA1) and the science that they will enable. We highlight three main surveys: a medium-deep continuum weak lensing and low-redshift spectroscopic HI galaxy survey over 5 000 deg 2 ; a wide and deep continuum galaxy and HI intensity mapping (IM) survey over 20 000 deg 2 from $z = 0.35$ to 3; and a deep, high-redshift HI IM survey over 100 deg 2 from $z = 3$ to 6. Taken together, these surveys will achieve an array of important scientific goals: measuring the equation of state of dark energy out to $z \sim 3$ with percent-level precision measurements of the cosmic expansion rate; constraining possible deviations from General Relativity on cosmological scales by measuring the growth rate of structure through multiple independent methods; mapping the structure of the Universe on the largest accessible scales, thus constraining fundamental properties such as isotropy, homogeneity, and non-Gaussianity; and measuring the HI density and bias out to $z = 6$ . These surveys will also provide highly complementary clustering and weak lensing measurements that have independent systematic uncertainties to those of optical and near-infrared (NIR) surveys like Euclid , LSST, and WFIRST leading to a multitude of synergies that can improve constraints significantly beyond what optical or radio surveys can achieve on their own. This document, the 2018 Red Book , provides reference technical specifications, cosmological parameter forecasts, and an overview of relevant systematic effects for the three key surveys and will be regularly updated by the Cosmology Science Working Group in the run up to start of operations and the Key Science Programme of SKA1.

Abstract Radio Frequency Interference (RFI) is emitted from various sources, terrestrial or orbital, and creates a nuisance for ground-based 21-cm experiments. In particular, single-dish observations will be highly susceptible to RFI due to their wide primary beam and sensitivity. This work aimed to simulate the contamination effects from the Radio Navigational Satellite System (RNSS) within the 1100-1350 (MHz) frequency band. The simulation can be divided into two parts: i) satellite positioning, emission power, and the beam response on the telescope, and ii) calibration of the satellite signals to data to improve the original model. We utilise previously observed single-dish L-band data from the Meer-Karoo Array Telescope (MeerKAT), which requires special calibration to account for regions contaminated by satellite-based RFI. We find that we can recreate the satellite contamination with high accuracy around its peak frequencies provided the satellite is not too close to the telescope’s pointing direction. The simulation can predict satellite movements and signals for past and future observations, aiding in RFI avoidance and testing novel cleaning methods. The predicted signal sits below the noise in the target cosmology window in the L-band (970 - 1015 MHz) making it difficult to confirm any out-of-band emission from satellites. However, in our simulations, this contamination still overwhelmed the 21-cm auto-power spectrum. Nevertheless it is possible to detect the signal in cross-correlations after mild foreground cleaning. Whether such out of band contamination does exist will require further characterisation of the satellite signals far away from their peak frequencies.

Abstract Detection of the faint 21 cm line emission from the Cosmic Dawn and Epoch of Reionization will require not only exquisite control over instrumental calibration and systematics to achieve the necessary dynamic range of observations but also validation of analysis techniques to demonstrate their statistical properties and signal loss characteristics. A key ingredient in achieving this is the ability to perform high-fidelity simulations of the kinds of data that are produced by the large, many-element, radio interferometric arrays that have been purpose-built for these studies. The large scale of these arrays presents a computational challenge, as one must simulate a detailed sky and instrumental model across many hundreds of frequency channels, thousands of time samples, and tens of thousands of baselines for arrays with hundreds of antennas. In this paper, we present a fast matrix-based method for simulating radio interferometric measurements (visibilities) at the necessary scale. We achieve this through judicious use of primary beam interpolation, fast approximations for coordinate transforms, and a vectorised outer product to expand per-antenna quantities to per-baseline visibilities, coupled with standard parallelisation techniques. We validate the results of this method, implemented in the publicly-available matvis code, against a high-precision reference simulator, and explore its computational scaling on a variety of problems.