Abstract
The 21 cm intensity mapping (IM) technique provides us with an efficient way to observe the cosmic large-scale structure (LSS). From the LSS data, one can use the baryon acoustic oscillation and redshift space distortion to trace the expansion and growth history of the universe, and thus measure the dark energy parameters. In this paper, we make a forecast for cosmological parameter estimation with the synergy of three 21 cm IM experiments. Specifically, we adopt a novel joint survey strategy, FAST (0 < z < 0.35) + SKA1-MID (0.35 < z < 0.8) + HIRAX (0.8 < z < 2.5), to measure dark energy. We simulate the 21 cm IM observations under the assumption of excellent foreground removal. We find that the synergy of three experiments could place quite tight constraints on cosmological parameters. For example, it provides σ(Ωm) = 0.0039 and σ(H0) = 0.27 km s−1 Mpc−1 in the ACDM model. Notably, the synergy could break the cosmological parameter degeneracies when constraining the dynamical dark energy models. Concretely, the joint observation offers σ(w) = 0.019 in the wCDM model, and σ(w0) = 0.085 and σ(wa) = 0.32 in the w0waCDM model. These results are better than or equal to those given by CMB+BAO+SN. In addition, when the foreground removal efficiency is relatively low, the strategy still performs well. Therefore, the 21 cm IM joint survey strategy is promising and worth pursuing.
References
N. Aghanim, et al. (Planck Collaboration), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020).
L. Verde, T. Treu, and A. G. Riess, Nat. Astron. 3, 891 (2019).
S. Weinberg, Rev. Mod. Phys. 61, 1 (1989).
V. Sahni, and A. Starobinsky, Int. J. Mod. Phys. D 09, 373 (2000).
R. Y. Guo, J. F. Zhang, and X. Zhang, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2019(2), 054 (2019).
H. J. Seo, and D. J. Eisenstein, Astrophys. J. 598, 720 (2003).
C. Blake, and K. Glazebrook, Astrophys. J. 594, 665 (2003).
D. H. Weinberg, M. J. Mortonson, D. J. Eisenstein, C. Hirata, A. G. Riess, and E. Rozo, Phys. Rep. 530, 87 (2013).
R. Barkana, and A. Loeb, Rep. Prog. Phys. 70, 627 (2007).
T. C. Chang, U. L. Pen, K. Bandura, and J. B. Peterson, Nature 466, 463 (2010).
K. W. Masui, E. R. Switzer, N. Banavar, K. Bandura, C. Blake, L. M. Calin, T. C. Chang, X. Chen, Y. C. Li, Y. W. Liao, A. Natarajan, U. L. Pen, J. B. Peterson, J. R. Shaw, and T. C. Voytek, Astrophys. J. 763, L20 (2013).
C. J. Anderson, N. J. Luciw, Y. C. Li, C. Y. Kuo, J. Yadav, K. W. Masui, T. C. Chang, X. Chen, N. Oppermann, Y. W. Liao, U. L. Pen, D. C. Price, L. Staveley-Smith, E. R. Switzer, P. T. Timbie, and L. Wolz, Mon. Not. R. Astron. Soc. 476, 3382 (2018).
M. Amiri, et al. (CHIME Collaboration), arXiv: 2202.01242.
S. Cunnington, Y. Li, M. G. Santos, J. Wang, I. P. Carucci, M. O. Irfan, A. Pourtsidou, M. Spinelli, L. Wolz, P. S. Soares, C. Blake, P. Bull, B. Engelbrecht, J. Fonseca, K. Grainge, and Y. Z. Ma, Mon. Not. R. Astron. Soc. 518, 6262 (2022).
E. Abdalla, E. G. M. Ferreira, R. G. Landim, A. A. Costa, K. S. F. Fornazier, F. B. Abdalla, L. Barosi, F. A. Brito, A. R. Queiroz, T. Villela, B. Wang, C. A. Wuensche, A. Marins, C. P. Novaes, V. Liccardo, C. Shan, J. Zhang, Z. Zhang, Z. Zhu, I. Browne, J. Delabrouille, L. Santos, M. V. dos Santos, H. Xu, S. Anton, R. Battye, T. Chen, C. Dickinson, Y. Z. Ma, B. Maffei, E. J. de Mericia, P. Motta, C. H. N. Otobone, M. W. Peel, S. Roychowdhury, M. Remazeilles, R. M. Ribeiro, Y. Sang, J. R. L. Santos, J. F. R. dos Santos, G. B. Silva, F. Vieira, J. Vieira, L. Xiao, X. Zhang, and Y. Zhu, Astron. Astrophys. 664, A14 (2022).
R. Nan, D. I. Li, C. Jin, Q. Wang, L. Zhu, W. Zhu, H. Zhang, Y. Yue, and L. Qian, Int. J. Mod. Phys. D 20, 989 (2011).
Y. P. Jing, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 64, 129561 (2021).
M. G. Santos, et al. (MeerKLASS Collaboration), in MeerKLASS: MeerKAT large area synoptic survey: Proceedings of the MeerKAT Science: On the Pathway to the SKA, Stellenbosch, 2017.
J. Wang, M. G. Santos, P. Bull, K. Grainge, S. Cunnington, J. Fonseca, M. O. Irfan, Y. Li, A. Pourtsidou, P. S. Soares, M. Spinelli, G. Bernardi, and B. Engelbrecht, Mon. Not. R. Astron. Soc. 505, 3698 (2021).
M. G. Santos, P. Bull, D. Alonso, S. Camera, P. G. Ferreira, G. Bernardi, R. Maartens, M. Viel, F. Villaescusa-Navarro, F. B. Abdalla, M. Jarvis, R. B. Metcalf, A. Pourtsidou, and L. Wolz, in Cosmology from a SKA HI intensity mapping survey: Proceedings of the Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array, Giardini Naxos, 2015.
Y. D. Xu, and X. Zhang, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 270431 (2020).
T. An, X. Wu, B. Lao, S. Guo, Z. Xu, W. Lv, Y. Zhang, and Z. Zhang, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 65, 129501 (2022).
D. Crichton, M. Aich, A. Amara, K. Bandura, B. A. Bassett, C. Bengaly, P. Berner, S. Bhatporia, M. Bucher, T. C. Chang, H. C. Chiang, J. F. Cliche, C. Crichton, R. Dave, D. I. L. De Villiers, M. Dobbs, A. M. Ewall-Wice, S. Eyono, C. Finlay, S. Gaddam, K. Ganga, K. G. Gayley, K. Gerodias, T. B. Gibbon, A. Gumba, N. Gupta, M. Harris, H. Heilgendorff, M. Hilton, A. D. Hincks, P. Hitz, M. Jalilvand, R. P. M. Julie, Z. Kader, J. Kania, D. Karagiannis, A. Karastergiou, K. Kesebonye, P. Kittiwisit, J. P. Kneib, K. Knowles, E. R. Kuhn, M. Kunz, R. Maartens, V. MacKay, S. MacPherson, C. Monstein, K. Moodley, V. Mugundhan, W. Naidoo, A. Naidu, L. B. Newburgh, V. Nistane, A. Di Nitto, D. Ölçek, X. Pan, S. Paul, J. B. Peterson, E. Pieters, C. Pieterse, A. Pillay, A. R. Polish, L. Randrianjanahary, A. Refregier, A. Renard, E. Retana-Montenegro, I. H. Rout, C. Russeeawon, A. V. Sadr, B. R. B. Saliwanchik, A. Sampath, P. Sanghavi, M. G. Santos, O. Sengate, J. R. Shaw, J. L. Sievers, O. M. Smirnov, K. M. Smith, U. A. M. Sob, R. Srianand, P. Stronkhorst, D. D. Sunder, S. Tartakovsky, R. Taylor, P. Timbie, E. E. Tolley, J. Townsend, W. Tyndall, C. Ungerer, J. van Dyk, G. van Vuuren, K. Vanderlinde, T. Viant, A. Walters, J. Wang, A. Weltman, P. Woudt, D. Wulf, A. Zavyalov, and Z. Zhang, J. Astron. Telesc. Instrum. Syst. 8, 011019 (2022).
M. Amiri, K. Bandura, A. Boskovic, T. Chen, J. F. Cliche, M. Deng, N. Denman, M. Dobbs, M. Fandino, S. Foreman, M. Halpern, D. Hanna, A. S. Hill, G. Hinshaw, C. Höfer, J. Kania, P. Klages, T. L. Landecker, J. MacEachern, K. Masui, J. Mena-Parra, N. Milutinovic, A. Mirhosseini, L. Newburgh, R. Nitsche, A. Ordog, U. L. Pen, T. Pinsonneault-Marotte, A. Polzin, A. Reda, A. Renard, J. R. Shaw, S. R. Siegel, S. Singh, R. Smegal, I. Tretyakov, K. Van Gassen, K. Vanderlinde, H. Wang, D. V. Wiebe, J. S. Willis, and D. Wulf, Astrophys. J. Suppl. Ser. 261, 29 (2022).
X. Chen, Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 12, 256 (2012).
J. X. Li, S. F. Zuo, F. Q. Wu, Y. G. Wang, J. Y. Zhang, S. J. Sun, Y. D. Xu, Z. J. Yu, R. Ansari, Y. C. Li, A. Stebbins, P. Timbie, Y. P. Cong, J. C. Geng, J. Hao, Q. Z. Huang, J. B. Li, R. Li, D. H. Liu, Y. F. Liu, T. Liu, J. P. Marriner, C. H. Niu, U. L. Pen, J. B. Peterson, H. L. Shi, L. Shu, Y. F. Song, H. J. Tian, G. S. Wang, Q. X. Wang, R. L. Wang, W. X. Wang, X. Wang, K. F. Yu, J. Zhang, B. Q. Zhu, J. L. Zhu, and X. L. Chen, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 129862 (2020).
P. Bull, P. G. Ferreira, P. Patel, and M. G. Santos, Astrophys. J. 803, 21 (2015).
Y. Xu, X. Wang, and X. Chen, Astrophys. J. 798, 40 (2015).
S. Yahya, P. Bull, M. G. Santos, M. Silva, R. Maartens, P. Okouma, and B. Bassett, Mon. Not. R. Astron. Soc. 450, 2251 (2015).
F. Villaescusa-Navarro, P. Bull, and M. Viel, Astrophys. J. 814, 146 (2015).
A. Pourtsidou, D. Bacon, and R. Crittenden, Mon. Not. R. Astron. Soc. 470, 4251 (2017).
A. Witzemann, P. Bull, C. Clarkson, M. G. Santos, M. Spinelli, and A. Weltman, Mon. Not. R. Astron. Soc.-Lett. 477, L122 (2018).
X. Xu, Y. Z. Ma, and A. Weltman, Phys. Rev. D 97, 083504 (2018).
L. C. Olivari, C. Dickinson, R. A. Battye, Y. Z. Ma, A. A. Costa, M. Remazeilles, and S. Harper, Mon. Not. R. Astron. Soc. 473, 4242 (2018).
L. Santos, W. Zhao, E. G. M. Ferreira, and J. Quintin, Phys. Rev. D 96, 103529 (2017).
E. Yohana, Y. C. Li, and Y. Z. Ma, Res. Astron. Astrophys. 19, 186 (2019).
J. F. Zhang, B. Wang, and X. Zhang, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 280411 (2020).
M. Zhang, B. Wang, P. J. Wu, J. Z. Qi, Y. Xu, J. F. Zhang, and X. Zhang, Astrophys. J. 918, 56 (2021).
P. J. Wu, and X. Zhang, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2022, 060 (2022).
M. Berti, M. Spinelli, B. S. Haridasu, M. Viel, and A. Silvestri, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2022, 018 (2022).
S. J. Jin, L. F. Wang, P. J. Wu, J. F. Zhang, and X. Zhang, Phys. Rev. D 104, 103507 (2021).
P.-J. Wu, Y. Shao, S.-J. Jin, and X. Zhang, arXiv: 2202.09726.
M. Berti, M. Spinelli, and M. Viel, arXiv: 2209.07595.
D. Karagiannis, R. Maartens, and L. F. Randrianjanahary, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2022, 003 (2022).
M. Zhang, Y. Li, J.-F. Zhang, and X. Zhang, arXiv: 2301.04445.
Y. Xu, J. Hamann, and X. Chen, Phys. Rev. D 94, 123518 (2016).
R. Ansari, et al. (Cosmic Visions 21 cm Collaboration), arXiv: 1810.09572.
H. Tashiro, and S. Ho, Mon. Not. R. Astron. Soc. 431, 2017 (2013).
A. D’Aloisio, J. Zhang, P. R. Shapiro, and Y. Mao, Mon. Not. R. Astron. Soc. 433, 2900 (2013).
S. Camera, M. G. Santos, and R. Maartens, Mon. Not. R. Astron. Soc. 448, 1035 (2015) [Erratum: Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 467, 1505 (2017)].
Y. C. Li, and Y. Z. Ma, Phys. Rev. D 96, 063525 (2017).
D. Karagiannis, A. Slosar, and M. Liguori, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2020, 052 (2020).
M. Shiraishi, J. B. Muñoz, M. Kamionkowski, and A. Raccanelli, Phys. Rev. D 93, 103506 (2016).
B. Li, Z. Chen, Y. F. Cai, and Y. Mao, Mon. Not. R. Astron. Soc. 487, 5564 (2019).
S. J. Jin, D. Z. He, Y. Xu, J. F. Zhang, and X. Zhang, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2020, 051 (2020).
A. Hall, C. Bonvin, and A. Challinor, Phys. Rev. D 87, 064026 (2013).
A. Lewis, A. Challinor, and A. Lasenby, Astrophys. J. 538, 473 (2000).
D. J. Bacon, R. A. Battye, P. Bull, S. Camera, P. G. Ferreira, I. Harrison, D. Parkinson, A. Pourtsidou, M. G. Santos, L. Wolz, F. Abdalla, Y. Akrami, D. Alonso, S. Andrianomena, M. Ballardini, J. L. Bernal, D. Bertacca, C. A. P. Bengaly, A. Bonaldi, C. Bonvin, M. L. Brown, E. Chapman, S. Chen, X. Chen, S. Cunnington, T. M. Davis, C. Dickinson, J. Fonseca, K. Grainge, S. Harper, M. J. Jarvis, R. Maartens, N. Maddox, H. Padmanabhan, J. R. Pritchard, A. Raccanelli, M. Rivi, S. Roychowdhury, M. Sahlén, D. J. Schwarz, T. M. Siewert, M. Viel, F. Villaescusa-Navarro, Y. Xu, D. Yamauchi, and J. Zuntz, Publ. Astron. Soc. Aust. 37, e007 (2020).
A. de Oliveira-Costa, M. Tegmark, B. M. Gaensler, J. Jonas, T. L. Landecker, and P. Reich, Mon. Not. R. Astron. Soc. 388, 247 (2008).
A. Bonaldi, and M. L. Brown, Mon. Not. R. Astron. Soc. 447, 1973 (2015).
F. G. Mertens, A. Ghosh, and L. V. E. Koopmans, Mon. Not. R. Astron. Soc. 478, 3640 (2018).
I. Hothi, E. Chapman, J. R. Pritchard, F. G. Mertens, L. V. E. Koopmans, B. Ciardi, B. K. Gehlot, R. Ghara, A. Ghosh, S. K. Giri, I. T. Iliev, V. Jelić, and S. Zaroubi, Mon. Not. R. Astron. Soc. 500, 2264 (2020).
P. S. Soares, C. A. Watkinson, S. Cunnington, and A. Pourtsidou, Mon. Not. R. Astron. Soc. 510, 5872 (2022).
S. Ni, Y. Li, L. Y. Gao, and X. Zhang, Astrophys. J. 934, 83 (2022).
L.-Y. Gao, Y. Li, S. Ni, and X. Zhang, arXiv: 2212.08773.
M. G. Santos, A. Cooray, and L. Knox, Astrophys. J. 625, 575 (2005).
R. E. Smith, J. A. Peacock, A. Jenkins, S. D. M. White, C. S. Frenk, F. R. Pearce, P. A. Thomas, G. Efstathiou, and H. M. P. Couchman, Mon. Not. R. Astron. Soc. 341, 1311 (2003).
A. J. Ross, L. Samushia, C. Howlett, W. J. Percival, A. Burden, and M. Manera, Mon. Not. R. Astron. Soc. 449, 835 (2015).
F. Beutler, C. Blake, M. Colless, D. H. Jones, L. Staveley-Smith, L. Campbell, Q. Parker, W. Saunders, and F. Watson, Mon. Not. R. Astron. Soc. 416, 3017 (2011).
S. Alam, M. Ata, S. Bailey, F. Beutler, D. Bizyaev, J. A. Blazek, A. S. Bolton, J. R. Brownstein, A. Burden, C. H. Chuang, J. Comparat, A. J. Cuesta, K. S. Dawson, D. J. Eisenstein, S. Escoffier, H. Gil-Marín, J. N. Grieb, N. Hand, S. Ho, K. Kinemuchi, D. Kirkby, F. Kitaura, E. Malanushenko, V. Malanushenko, C. Maraston, C. K. McBride, R. C. Nichol, M. D. Olmstead, D. Oravetz, N. Padmanabhan, N. Palanque-Delabrouille, K. Pan, M. Pellejero-Ibanez, W. J. Percival, P. Petitjean, F. Prada, A. M. Price-Whelan, B. A. Reid, S. A. Rodríguez-Torres, N. A. Roe, A. J. Ross, N. P. Ross, G. Rossi, J. A. Rubiño-Martín, S. Saito, S. Salazar-Albornoz, L. Samushia, A. G. Sánchez, S. Satpathy, D. J. Schlegel, D. P. Schneider, C. G. Scóccola, H. J. Seo, E. S. Sheldon, A. Simmons, A. Slosar, M. A. Strauss, M. E. C. Swanson, D. Thomas, J. L. Tinker, R. Tojeiro, M. V. Magaña, J. A. Vazquez, L. Verde, D. A. Wake, Y. Wang, D. H. Weinberg, M. White, W. M. Wood-Vasey, C. Yéche, I. Zehavi, Z. Zhai, and G. B. Zhao, Mon. Not. R. Astron. Soc. 470, 2617 (2017).
D. M. Scolnic, D. O. Jones, A. Rest, Y. C. Pan, R. Chornock, R. J. Foley, M. E. Huber, R. Kessler, G. Narayan, A. G. Riess, S. Rodney, E. Berger, D. J. Brout, P. J. Challis, M. Drout, D. Finkbeiner, R. Lunnan, R. P. Kirshner, N. E. Sanders, E. Schlafly, S. Smartt, C. W. Stubbs, J. Tonry, W. M. Wood-Vasey, M. Foley, J. Hand, E. Johnson, W. S. Burgett, K. C. Chambers, P. W. Draper, K. W. Hodapp, N. Kaiser, R. P. Kudritzki, E. A. Magnier, N. Metcalfe, F. Bresolin, E. Gall, R. Kotak, M. McCrum, and K. W. Smith, Astrophys. J. 859, 101 (2018).
M. Chevallier, and D. Polarski, Int. J. Mod. Phys. D 10, 213 (2001).
E. V. Linder, Phys. Rev. Lett. 90, 091301 (2003).
S. Capozziello, R. D’Agostino, and O. Luongo, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2018, 008 (2018).
E. K. Li, M. Du, and L. Xu, Mon. Not. R. Astron. Soc. 491, 4960 (2020).
S. Capozziello, R. D’Agostino, and O. Luongo, Int. J. Mod. Phys. D 28, 1930016 (2019).
S. Mandal, D. Wang, and P. K. Sahoo, Phys. Rev. D 102, 124029 (2020).
M. Rezaei, S. Pour-Ojaghi, and M. Malekjani, Astrophys. J. 900, 70 (2020).
M. Rezaei, J. S. Peracaula, and M. Malekjani, Mon. Not. R. Astron. Soc. 509, 2593 (2022).
S. Pourojaghi, N. F. Zabihi, and M. Malekjani, Phys. Rev. D 106, 123523 (2022).
Y. Mu, B. Chang, and L. Xu, arXiv: 2302.02559.
M. Visser, Class. Quantum Grav. 21, 2603 (2004).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
This work was supported by the National SKA Program of China (Grant Nos. 2022SKA0110200, and 2022SKA0110203), and National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11975072, 11835009, and 11875102).
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Wu, PJ., Li, Y., Zhang, JF. et al. Prospects for measuring dark energy with 21 cm intensity mapping experiments: A joint survey strategy. Sci. China Phys. Mech. Astron. 66, 270413 (2023). https://doi.org/10.1007/s11433-022-2104-7
Received:
Accepted:
Published:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-022-2104-7