We present new weak-lensing observations of 1E 0657-558 (z = 0.296), a unique cluster merger, that enable a direct detection of dark matter, independent of assumptions regarding the nature of the gravitational force law. Due to the collision of two clusters, the dissipationless stellar component and the fluid-like X-ray-emitting plasma are spatially segregated. By using both wide-field ground-based images and HST/ACS images of the cluster cores, we create gravitational lensing maps showing that the gravitational potential does not trace the plasma distribution, the dominant baryonic mass component, but rather approximately traces the distribution of galaxies. An 8 σ significance spatial offset of the center of the total mass from the center of the baryonic mass peaks cannot be explained with an alteration of the gravitational force law and thus proves that the majority of the matter in the system is unseen.

We present Advanced Camera for Surveys, NICMOS, and Keck adaptive-optics-assisted photometry of 20 Type Ia supernovae (SNe Ia) from the Hubble Space Telescope (HST) Cluster Supernova Survey. The SNe Ia were discovered over the redshift interval 0.623 < z < 1.415. Of these SNe Ia, 14 pass our strict selection cuts and are used in combination with the world's sample of SNe Ia to derive the best current constraints on dark energy. Of our new SNe Ia, 10 are beyond redshift z = 1, thereby nearly doubling the statistical weight of HST-discovered SNe Ia beyond this redshift. Our detailed analysis corrects for the recently identified correlation between SN Ia luminosity and host galaxy mass and corrects the NICMOS zero point at the count rates appropriate for very distant SNe Ia. Adding these SNe improves the best combined constraint on dark-energy density, ρDE(z), at redshifts 1.0 < z < 1.6 by 18% (including systematic errors). For a flat ΛCDM universe, we find ΩΛ = 0.729 ± 0.014 (68% confidence level (CL) including systematic errors). For a flat wCDM model, we measure a constant dark-energy equation-of-state parameter w = −1.013+0.068−0.073 (68% CL). Curvature is constrained to ∼0.7% in the owCDM model and to ∼2% in a model in which dark energy is allowed to vary with parameters w0 and wa. Further tightening the constraints on the time evolution of dark energy will require several improvements, including high-quality multi-passband photometry of a sample of several dozen z > 1 SNe Ia. We describe how such a sample could be efficiently obtained by targeting cluster fields with WFC3 on board HST. The updated supernova Union2.1 compilation of 580 SNe is available at http://supernova.lbl.gov/Union.

We present a catalog of galaxy clusters selected via their Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect signature from 2500 deg$^2$ of South Pole Telescope (SPT) data. This work represents the complete sample of clusters detected at high significance in the 2500-square-degree SPT-SZ survey, which was completed in 2011. A total of 677 (409) cluster candidates are identified above a signal-to-noise threshold of $\xi$ =4.5 (5.0). Ground- and space-based optical and near-infrared (NIR) imaging confirms overdensities of similarly colored galaxies in the direction of 516 (or 76%) of the $\xi$>4.5 candidates and 387 (or 95%) of the $\xi$>5 candidates; the measured purity is consistent with expectations from simulations. Of these confirmed clusters, 415 were first identified in SPT data, including 251 new discoveries reported in this work. We estimate photometric redshifts for all candidates with identified optical and/or NIR counterparts; we additionally report redshifts derived from spectroscopic observations for 141 of these systems. The mass threshold of the catalog is roughly independent of redshift above $z$~0.25 leading to a sample of massive clusters that extends to high redshift. The median mass of the sample is $M_{\scriptsize 500c}(\rho_\mathrm{crit})$ ~ 3.5 x 10$^{14} M_\odot h^{-1}$, the median redshift is $z_{med}$ =0.55, and the highest-redshift systems are at $z$>1.4. The combination of large redshift extent, clean selection, and high typical mass makes this cluster sample of particular interest for cosmological analyses and studies of cluster formation and evolution.

The Chandra image of the merging, hot galaxy cluster 1E 0657-56 reveals a bow shock propagating in front of a bullet-like gas cloud just exiting the disrupted cluster core. This is the first clear example of a shock front in a cluster. From the jumps in the gas density and temperature at the shock, the Mach number of the bullet-like cloud is 2-3. This corresponds to a velocity of 3000-4000 km s-1 relative to the main cluster, which means that the cloud traversed the core just 0.1-0.2 Gyr ago. The 6-7 keV "bullet" appears to be a remnant of a dense cooling flow region once located at the center of a merging subcluster whose outer gas has been stripped by ram pressure. The bullet's shape indicates that it is near the final stage of being destroyed by ram pressure and gasdynamic instabilities, as the subcluster galaxies move well ahead of the cool gas. The unique simplicity of the shock front and bullet geometry in 1E 0657-56 may allow a number of interesting future measurements. The cluster's average temperature is 14-15 keV but shows large spatial variations. The hottest gas (T > 20 keV) lies in the region of the radio halo enhancement and extensive merging activity involving subclusters other than the bullet.

We determine the contribution of stars in galaxies, intracluster stars, and the intracluster medium to the total baryon budget in nearby galaxy clusters and groups. We find that the baryon mass fraction (fb ≡ Ωb/Ωm) within r500 is constant for systems with M500 between 6 × 1013 and 1 × 1015 M☉. Although fb is lower than the WMAP value, the shortfall is on the order of both the observational systematic uncertainties and the depletion of baryons within r500 that is predicted by simulations. The data therefore provide no compelling evidence for undetected baryonic components, particularly any that would be expected to vary in importance with cluster mass. A unique feature of the current analysis is direct inclusion of the contribution of intracluster light (ICL) in the baryon budget. With the addition of the ICL to the stellar mass in galaxies, the increase in X-ray gas mass fraction with increasing total mass is entirely accounted for by a decrease in the total stellar mass fraction, supporting the argument that the behavior of both the stellar and X-ray gas components is dominated by a decrease in star formation efficiency in more massive environments. Within just the stellar component, the fraction of the total stellar luminosity in the central, giant brightest cluster galaxy (BCG) and ICL (hereafter the BCG+ICL component) decreases as velocity dispersion (σ) increases for systems with 145 km s-1 ≤ σ ≤ 1026 km s-1, suggesting that the BCG+ICL component, and in particular the dominant ICL component, grows less efficiently in higher mass environments. The degree to which this behavior arises from our sample selection, which favored systems with central, giant elliptical galaxies, remains unclear. A more robust result is the identification of low-mass groups with large BCG+ICL components, demonstrating that the creation of "intracluster" stars does not require a massive cluster environment. Within r500 and r200, the BCG+ICL contributes on average 40% and 33% of the total stellar light, respectively, for the clusters and groups in our sample. Because these fractions are functions of both enclosed radius and system mass, care should be exercised when comparing these values with other studies and simulations.

We present a set of low resolution empirical SED templates for AGNs and galaxies in the wavelength range from 0.03 to 30 microns based on the multi-wavelength photometric observations of the NOAO Deep-Wide Field Survey Bootes field and the spectroscopic observations of the AGN and Galaxy Evolution Survey. Our training sample is comprised of 14448 galaxies in the redshift range 0<~z<~1 and 5347 likely AGNs in the range 0<~z<~5.58. We use our templates to determine photometric redshifts for galaxies and AGNs. While they are relatively accurate for galaxies, their accuracies for AGNs are a strong function of the luminosity ratio between the AGN and galaxy components. Somewhat surprisingly, the relative luminosities of the AGN and its host are well determined even when the photometric redshift is significantly in error. We also use our templates to study the mid-IR AGN selection criteria developed by Stern et al.(2005) and Lacy et al.(2004). We find that the Stern et al.(2005) criteria suffers from significant incompleteness when there is a strong host galaxy component and at z =~ 4.5, when the broad Halpha emission line is redshifted into the [3.6] band, but that it is little contaminated by low and intermediate redshift galaxies. The Lacy et al.(2004) criterion is not affected by incompleteness at z =~ 4.5 and is somewhat less affected by strong galaxy host components, but is heavily contaminated by low redshift star forming galaxies. Finally, we use our templates to predict the color-color distribution of sources in the upcoming WISE mission and define a color criterion to select AGNs analogous to those developed for IRAC photometry. We estimate that in between 640,000 and 1,700,000 AGNs will be identified by these criteria, but will have serious completeness problems for z >~ 3.4.

Using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, we have conducted a blind redshift survey in the 3 mm atmospheric transmission window for 26 strongly lensed dusty star-forming galaxies (DSFGs) selected with the South Pole Telescope. The sources were selected to have S1.4 mm > 20 mJy and a dust-like spectrum and, to remove low-z sources, not have bright radio (S843 MHz < 6 mJy) or far-infrared counterparts (S100 μm < 1 Jy, S60 μm < 200 mJy). We robustly detect 44 line features in our survey, which we identify as redshifted emission lines of 12CO, 13CO, C i, H2O, and H2O+. We find one or more spectral features in 23 sources yielding a ∼90% detection rate for this survey; in 12 of these sources we detect multiple lines, while in 11 sources we detect only a single line. For the sources with only one detected line, we break the redshift degeneracy with additional spectroscopic observations if available, or infer the most likely line identification based on photometric data. This yields secure redshifts for ∼70% of the sample. The three sources with no lines detected are tentatively placed in the redshift desert between 1.7 < z < 2.0. The resulting mean redshift of our sample is = 3.5. This finding is in contrast to the redshift distribution of radio-identified DSFGs, which have a significantly lower mean redshift of = 2.3 and for which only 10%–15% of the population is expected to be at z > 3. We discuss the effect of gravitational lensing on the redshift distribution and compare our measured redshift distribution to that of models in the literature.

We present a catalog of galaxy cluster candidates, selected through their Sunyaev–Zel'dovich (SZ) effect signature in the first 720 deg2 of the South Pole Telescope (SPT) survey. This area was mapped with the SPT in the 2008 and 2009 austral winters to a depth of ∼18 μKCMB-arcmin at 150 GHz; 550 deg2 of it was also mapped to ∼44 μKCMB-arcmin at 95 GHz. Based on optical imaging of all 224 candidates and near-infrared imaging of the majority of candidates, we have found optical and/or infrared counterparts for 158, which we then classify as confirmed galaxy clusters. Of these 158 clusters, 135 were first identified as clusters in SPT data, including 117 new discoveries reported in this work. This catalog triples the number of confirmed galaxy clusters discovered through the SZ effect. We report photometrically derived (and in some cases spectroscopic) redshifts for confirmed clusters and redshift lower limits for the remaining candidates. The catalog extends to high redshift with a median redshift of z = 0.55 and maximum confirmed redshift of z = 1.37. Forty-five of the clusters have counterparts in the ROSAT bright or faint source catalogs from which we estimate X-ray fluxes. Based on simulations, we expect the catalog to be nearly 100% complete above M500 ≈ 5 × 1014 M☉ h−170 at z ≳ 0.6. There are 121 candidates detected at signal-to-noise ratio greater than five, at which the catalog purity is measured to be 95%. From this high-purity subsample, we exclude the z < 0.3 clusters and use the remaining 100 candidates to improve cosmological constraints following the method presented by Benson et al. Adding the cluster data to CMB + BAO + H0 data leads to a preference for non-zero neutrino masses while only slightly reducing the upper limit on the sum of neutrino masses to ∑mν < 0.38 eV (95% CL). For a spatially flat wCDM cosmological model, the addition of this catalog to the CMB + BAO + H0 + SNe results yields σ8 = 0.807 ± 0.027 and w = −1.010 ± 0.058, improving the constraints on these parameters by a factor of 1.4 and 1.3, respectively. The larger cluster catalog presented in this work leads to slight improvements in cosmological constraints from those presented by Benson et al. These cosmological constraints are currently limited by uncertainty in the cluster mass calibration, not the size or quality of the cluster catalog. A multi-wavelength observation program to improve the cluster mass calibration will make it possible to realize the full potential of the final 2500 deg2 SPT cluster catalog to constrain cosmology.

(abridged) We present cosmological constraints obtained from galaxy clusters identified by their Sunyaev-Zel'dovich effect signature in the 2500 square degree South Pole Telescope Sunyaev Zel'dovich survey. We consider the 377 cluster candidates identified at z>0.25 with a detection significance greater than five, corresponding to the 95% purity threshold for the survey. We compute constraints on cosmological models using the measured cluster abundance as a function of mass and redshift. We include additional constraints from multi-wavelength observations, including Chandra X-ray data for 82 clusters and a weak lensing-based prior on the normalization of the mass-observable scaling relations. Assuming a LCDM cosmology, where the species-summed neutrino mass has the minimum allowed value (mnu = 0.06 eV) from neutrino oscillation experiments, we combine the cluster data with a prior on H0 and find sigma_8 = 0.797+-0.031 and Omega_m = 0.289+-0.042, with the parameter combination sigma_8(Omega_m/0.27)^0.3 = 0.784+-0.039. These results are in good agreement with constraints from the CMB from SPT, WMAP, and Planck, as well as with constraints from other cluster datasets. Adding mnu as a free parameter, we find mnu = 0.14+-0.08 eV when combining the SPT cluster data with Planck CMB data and BAO data, consistent with the minimum allowed value. Finally, we consider a cosmology where mnu and N_eff are fixed to the LCDM values, but the dark energy equation of state parameter w is free. Using the SPT cluster data in combination with an H0 prior, we measure w = -1.28+-0.31, a constraint consistent with the LCDM cosmological model and derived from the combination of growth of structure and geometry. When combined with primarily geometrical constraints from Planck CMB, H0, BAO and SNe, adding the SPT cluster data improves the w constraint from the geometrical data alone by 14%, to w = -1.023+-0.042.