The Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE), is the Herschel Space Observatory`s submillimetre camera and spectrometer. It contains a three-band imaging photometer operating at 250, 350 and 500 microns, and an imaging Fourier Transform Spectrometer (FTS) which covers simultaneously its whole operating range of 194-671 microns (447-1550 GHz). The SPIRE detectors are arrays of feedhorn-coupled bolometers cooled to 0.3 K. The photometer has a field of view of 4' x 8', observed simultaneously in the three spectral bands. Its main operating mode is scan-mapping, whereby the field of view is scanned across the sky to achieve full spatial sampling and to cover large areas if desired. The spectrometer has an approximately circular field of view with a diameter of 2.6'. The spectral resolution can be adjusted between 1.2 and 25 GHz by changing the stroke length of the FTS scan mirror. Its main operating mode involves a fixed telescope pointing with multiple scans of the FTS mirror to acquire spectral data. For extended source measurements, multiple position offsets are implemented by means of an internal beam steering mirror to achieve the desired spatial sampling and by rastering of the telescope pointing to map areas larger than the field of view. The SPIRE instrument consists of a cold focal plane unit located inside the Herschel cryostat and warm electronics units, located on the spacecraft Service Module, for instrument control and data handling. Science data are transmitted to Earth with no on-board data compression, and processed by automatic pipelines to produce calibrated science products. The in-flight performance of the instrument matches or exceeds predictions based on pre-launch testing and modelling: the photometer sensitivity is comparable to or slightly better than estimated pre-launch, and the spectrometer sensitivity is also better by a factor of 1.5-2.

Stars form from cold molecular interstellar gas. As this is relatively rare in the local Universe, galaxies like the Milky Way form only a few new stars per year. Typical massive galaxies in the distant Universe formed stars an order of magnitude more rapidly. Unless star formation was significantly more efficient, this difference suggests that young galaxies were much more molecular-gas rich. Molecular gas observations in the distant Universe have so far largely been restricted to very luminous, rare objects, including mergers and quasars, and accordingly we do not yet have a clear idea about the gas content of more normal (albeit massive) galaxies. Here we report the results of a survey of molecular gas in samples of typical massive-star-forming galaxies at mean redshifts  of about 1.2 and 2.3, when the Universe was respectively 40% and 24% of its current age. Our measurements reveal that distant star forming galaxies were indeed gas rich, and that the star formation efficiency is not strongly dependent on cosmic epoch. The average fraction of cold gas relative to total galaxy baryonic mass at z = 2.3 and z = 1.2 is respectively about 44% and 34%, three to ten times higher than in today's massive spiral galaxies. The slow decrease between z approximately 2 and z approximately 1 probably requires a mechanism of semi-continuous replenishment of fresh gas to the young galaxies.

We use the first systematic data sets of CO molecular line emission in z∼ 1–3 normal star-forming galaxies (SFGs) for a comparison of the dependence of galaxy-averaged star formation rates on molecular gas masses at low and high redshifts, and in different galactic environments. Although the current high-z samples are still small and biased towards the luminous and massive tail of the actively star-forming ‘main-sequence’, a fairly clear picture is emerging. Independent of whether galaxy-integrated quantities or surface densities are considered, low- and high-z SFG populations appear to follow similar molecular gas–star formation relations with slopes 1.1 to 1.2, over three orders of magnitude in gas mass or surface density. The gas-depletion time-scale in these SFGs grows from 0.5 Gyr at z∼ 2 to 1.5 Gyr at z∼ 0. The average corresponds to a fairly low star formation efficiency of 2 per cent per dynamical time. Because star formation depletion times are significantly smaller than the Hubble time at all redshifts sampled, star formation rates and gas fractions are set by the balance between gas accretion from the halo and stellar feedback. In contrast, very luminous and ultraluminous, gas-rich major mergers at both low and high z produce on average four to 10 times more far-infrared luminosity per unit gas mass. We show that only some fraction of this difference can be explained by uncertainties in gas mass or luminosity estimators; much of it must be intrinsic. A possible explanation is a top-heavy stellar mass function in the merging systems but the most likely interpretation is that the star formation relation is driven by global dynamical effects. For a given mass, the more compact merger systems produce stars more rapidly because their gas clouds are more compressed with shorter dynamical times, so that they churn more quickly through the available gas reservoir than the typical normal disc galaxies. When the dependence on galactic dynamical time-scale is explicitly included, disc galaxies and mergers appear to follow similar gas-to-star formation relations. The mergers may be forming stars at slightly higher efficiencies than the discs.

We present PHIBSS, the IRAM Plateau de Bure high-z blue sequence CO 3-2 survey of the molecular gas properties in normal star forming galaxies (SFGs) near the cosmic star formation peak. PHIBSS provides 52 CO detections in two redshift slices at z~1.2 and 2.2, with log(M*(M_solar))>10.4 and log(SFR(M_solar/yr))>1.5. Including a correction for the incomplete coverage of the M*-SFR plane, we infer average gas fractions of ~0.33 at z~1.2 and ~0.47 at z~2.2. Gas fractions drop with stellar mass, in agreement with cosmological simulations including strong star formation feedback. Most of the z~1-3 SFGs are rotationally supported turbulent disks. The sizes of CO and UV/optical emission are comparable. The molecular gas - star formation relation for the z=1-3 SFGs is near-linear, with a ~0.7 Gyrs gas depletion timescale; changes in depletion time are only a secondary effect. Since this timescale is much less than the Hubble time in all SFGs between z~0 and 2, fresh gas must be supplied with a fairly high duty cycle over several billion years. At given z and M*, gas fractions correlate strongly with the specific star formation rate. The variation of specific star formation rate between z~0 and 3 is mainly controlled by the fraction of baryonic mass that resides in cold gas.

We summarize the first results from the Gould Belt Survey, obtained toward the Aquila rift and Polaris Flare regions during the science demonstration phase of Herschel. Our 70–500 μm images taken in parallel mode with the SPIRE and PACS cameras reveal a wealth of filamentary structure, as well as numerous dense cores embedded in the filaments. Between ~350 and 500 prestellar cores and ~45–60 Class 0 protostars can be identified in the Aquila field, while ~300 unbound starless cores and no protostars are observed in the Polaris field. The prestellar core mass function (CMF) derived for the Aquila region bears a strong resemblance to the stellar initial mass function (IMF), already confirming the close connection between the CMF and the IMF with much better statistics than earlier studies. Comparing and contrasting our Herschel results in Aquila and Polaris, we propose an observationally-driven scenario for core formation according to which complex networks of long, thin filaments form first within molecular clouds, and then the densest filaments fragment into a number of prestellar cores via gravitational instability.