The standard cosmological model successfully describes many observations from widely different epochs of the Universe, from primordial nucleosynthesis to the accelerating expansion of the present day. However, as the basic cosmological parameters of the model are being determined with increasing and unprecedented precision, it is not guaranteed that the same model will fit more precise observations from widely different cosmic epochs. Discrepancies developing between observations at early and late cosmological time may require an expansion of the standard model, and may lead to the discovery of new physics. The workshop "Tensions between the Early and the Late Universe" was held at the Kavli Institute for Theoretical Physics on July 15-17 2019 (More details of the workshop (including on-line presentations) are given at the website: https://www.kitp.ucsb.edu/activities/enervac-c19) to evaluate increasing evidence for these discrepancies, primarily in the value of the Hubble constant as well as ideas recently proposed to explain this tension. Multiple new observational results for the Hubble constant were presented in the time frame of the workshop using different probes: Cepheids, strong lensing time delays, tip of the red giant branch (TRGB), megamasers, Oxygen-rich Miras and surface brightness fluctuations (SBF) resulting in a set of six new ones in the last several months. Here we present the summary plot of the meeting that shows combining any three independent approaches to measure H$_0$ in the late universe yields tension with the early Universe values between 4.0$\sigma$ and 5.8$\sigma$. This shows that the discrepancy does not appear to be dependent on the use of any one method, team, or source. Theoretical ideas to explain the discrepancy focused on new physics in the decade of expansion preceding recombination as the most plausible. This is a brief summary of the workshop.

ABSTRACT We present a measurement of the Hubble constant (H0) and other cosmological parameters from a joint analysis of six gravitationally lensed quasars with measured time delays. All lenses except the first are analysed blindly with respect to the cosmological parameters. In a flat Λ cold dark matter (ΛCDM) cosmology, we find $H_{0} = 73.3_{-1.8}^{+1.7}~\mathrm{km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$, a $2.4{{\ \rm per\ cent}}$ precision measurement, in agreement with local measurements of H0 from type Ia supernovae calibrated by the distance ladder, but in 3.1σ tension with Planck observations of the cosmic microwave background (CMB). This method is completely independent of both the supernovae and CMB analyses. A combination of time-delay cosmography and the distance ladder results is in 5.3σ tension with Planck CMB determinations of H0 in flat ΛCDM. We compute Bayes factors to verify that all lenses give statistically consistent results, showing that we are not underestimating our uncertainties and are able to control our systematics. We explore extensions to flat ΛCDM using constraints from time-delay cosmography alone, as well as combinations with other cosmological probes, including CMB observations from Planck, baryon acoustic oscillations, and type Ia supernovae. Time-delay cosmography improves the precision of the other probes, demonstrating the strong complementarity. Allowing for spatial curvature does not resolve the tension with Planck. Using the distance constraints from time-delay cosmography to anchor the type Ia supernova distance scale, we reduce the sensitivity of our H0 inference to cosmological model assumptions. For six different cosmological models, our combined inference on H0 ranges from ∼73 to 78 km s−1 Mpc−1, which is consistent with the local distance ladder constraints.

We present an updated and revised analysis of the relationship between the Hbeta broad-line region (BLR) radius and the luminosity of the active galactic nucleus (AGN). Specifically, we have carried out two-dimensional surface brightness decompositions of the host galaxies of 9 new AGNs imaged with the Hubble Space Telescope Wide Field Camera 3. The surface brightness decompositions allow us to create "AGN-free" images of the galaxies, from which we measure the starlight contribution to the optical luminosity measured through the ground-based spectroscopic aperture. We also incorporate 20 new reverberation-mapping measurements of the Hbeta time lag, which is assumed to yield the average Hbeta BLR radius. The final sample includes 41 AGNs covering four orders of magnitude in luminosity. The additions and updates incorporated here primarily affect the low-luminosity end of the R-L relationship. The best fit to the relationship using a Bayesian analysis finds a slope of alpha = 0.533 (+0.035/-0.033), consistent with previous work and with simple photoionization arguments. Only two AGNs appear to be outliers from the relationship, but both of them have monitoring light curves that raise doubt regarding the accuracy of their reported time lags. The scatter around the relationship is found to be 0.19(+/-0.02) dex, but would be decreased to 0.13 dex by the removal of these two suspect measurements. A large fraction of the remaining scatter in the relationship is likely due to the inaccurate distances to the AGN host galaxies. Our results help support the possibility that the R-L relationship could potentially be used to turn the BLRs of AGNs into standardizable candles. This would allow the cosmological expansion of the Universe to be probed by a separate population of objects, and over a larger range of redshifts.

We use stellar masses, surface photometry, strong-lensing masses, and stellar velocity dispersions (σe/2) to investigate empirical correlations for the definitive sample of 73 early-type galaxies (ETGs) that are strong gravitational lenses from the SLACS survey. The traditional correlations (fundamental plane (FP) and its projections) are consistent with those found for non-lens galaxies, supporting the thesis that SLACS lens galaxies are representative of massive ETGs (dimensional mass Mdim = 1011–1012 M☉). The addition of high-precision strong-lensing estimates of the total mass allows us to gain further insights into their internal structure: (1) the average slope of the total mass-density profile ( ) is 〈γ'〉 = 2.078 ± 0.027 with an intrinsic scatter of 0.16 ± 0.02; (2) γ' correlates with effective radius (re) and central mass density, in the sense that denser galaxies have steeper profiles; (3) the dark matter (DM) fraction within re/2 is a monotonically increasing function of galaxy mass and size (due to a mass-dependent central cold DM distribution or due to baryonic DM—stellar remnants or low-mass stars—if the initial mass function is non-universal and its normalization increases with mass); (4) the dimensional mass Mdim ≡ 5reσ2e/2/G is proportional to the total (lensing) mass M , and both increase more rapidly than stellar mass M* (M ); (5) the mass plane (MP), obtained by replacing surface brightness with surface mass density in the FP, is found to be tighter and closer to the virial relation than the FP and the M*P, indicating that the scatter of those relations is dominated by stellar population effects; (6) we construct the fundamental hyper-plane by adding stellar masses to the MP and find the M* coefficient to be consistent with zero and no residual intrinsic scatter. Our results demonstrate that the dynamical structure of ETGs is not scale invariant and that it is fully specified by M , re, and σe/2. Although the basic trends can be explained qualitatively in terms of varying star formation efficiency as a function of halo mass and as the result of dry and wet mergers, reproducing quantitatively the observed correlations and their tightness may be a significant challenge for galaxy formation models.

We present a weak gravitational lensing analysis of 22 early-type strong lens galaxies, based on deep HST images obtained as part of the Sloan Lens ACS Survey. Using the most advanced techniques to control systematic uncertainties related to the variable PSF and charge transfer efficiency of the ACS, we detect weak lensing signal out to 300 kpc/h. We analyze blank control fields from the COSMOS survey in the same manner, inferring that the residual systematic uncertainty in the tangential shear is <0.3%. A joint strong and weak lensing analysis shows that the average total mass density profile is consistent with isothermal over two decades in radius (3-300 kpc/h, approximately 1-100 Reff). This finding extends by over an order of magnitude in radius previous results, based on strong lensing and/or stellar dynamics, that luminous and dark component ``conspire'' to form an isothermal mass distribution. In order to disentangle the contributions of luminous and dark matter, we fit a two-component mass model (R^1/4 + NFW) to the weak and strong lensing constraints. It provides a good fit to the data with only two free parameters; i) the average stellar mass-to-light ratio M_*/L_V=4.48 +- 0.46 hMo/Lo, in agreement with that expected for an old stellar population; ii) the average virial mass-to-light ratio M_vir/L_V = 246+101-87 hMo/Lo. [abridged]

We present a new measurement of the Hubble Constant H0 and other cosmological parameters based on the joint analysis of three multiply imaged quasar systems with measured gravitational time delays. First, we measure the time delay of HE 0435−1223 from 13-yr light curves obtained as part of the COSMOGRAIL project. Companion papers detail the modelling of the main deflectors and line-of-sight effects, and how these data are combined to determine the time-delay distance of HE 0435−1223. Crucially, the measurements are carried out blindly with respect to cosmological parameters in order to avoid confirmation bias. We then combine the time-delay distance of HE 0435−1223 with previous measurements from systems B1608+656 and RXJ1131−1231 to create a Time Delay Strong Lensing probe (TDSL). In flat Λ cold dark matter (ΛCDM) with free matter and energy density, we find H0|$=71.9^{+2.4}_{-3.0}\ {\rm km\, s^{-1}\, Mpc^{-1}}$| and |$\Omega _{\Lambda }=0.62^{+0.24}_{-0.35}$|⁠. This measurement is completely independent of, and in agreement with, the local distance ladder measurements of H0. We explore more general cosmological models combining TDSL with other probes, illustrating its power to break degeneracies inherent to other methods. The joint constraints from TDSL and Planck are H0 = |$69.2_{-2.2}^{+1.4}\ {\rm km\, s^{-1}\, Mpc^{-1}}$|⁠, |$\Omega _{\Lambda }=0.70_{-0.01}^{+0.01}$| and |$\Omega _{\rm k}=0.003_{-0.006}^{+0.004}$| in open ΛCDM and H0|$=79.0_{-4.2}^{+4.4}\ {\rm km\, s^{-1}\, Mpc^{-1}}$|⁠, |$\Omega _{\rm de}=0.77_{-0.03}^{+0.02}$| and |$w=-1.38_{-0.16}^{+0.14}$| in flat wCDM. In combination with Planck and baryon acoustic oscillation data, when relaxing the constraints on the numbers of relativistic species we find Neff = |$3.34_{-0.21}^{+0.21}$| in NeffΛCDM and when relaxing the total mass of neutrinos we find Σmν ≤ 0.182 eV in mνΛCDM. Finally, in an open wCDM in combination with Planck and cosmic microwave background lensing, we find H0|$=77.9_{-4.2}^{+5.0}\ {\rm km\, s^{-1}\, Mpc^{-1}}$|⁠, |$\Omega _{\rm de}=0.77_{-0.03}^{+0.03}$|⁠, |$\Omega _{\rm k}=-0.003_{-0.004}^{+0.004}$| and |$w=-1.37_{-0.23}^{+0.18}$|⁠.

We have recently completed a 64-night spectroscopic monitoring campaign at the Lick Observatory 3-m Shane telescope with the aim of measuring the masses of the black holes in 12 nearby (z < 0.05) Seyfert 1 galaxies with expected masses in the range ~10^6-10^7 M_sun and also the well-studied nearby active galactic nucleus (AGN) NGC 5548. Nine of the objects in the sample (including NGC 5548) showed optical variability of sufficient strength during the monitoring campaign to allow for a time lag to be measured between the continuum fluctuations and the response to these fluctuations in the broad Hbeta emission. We present here the light curves for the objects in this sample and the subsequent Hbeta time lags for the nine objects where these measurements were possible. The Hbeta lag time is directly related to the size of the broad-line region, and by combining the lag time with the measured width of the Hbeta emission line in the variable part of the spectrum, we determine the virial mass of the central supermassive black hole in these nine AGNs. The absolute calibration of the black hole masses is based on the normalization derived by Onken et al. We also examine the time lag response as a function of velocity across the Hbeta line profile for six of the AGNs. The analysis of four leads to ambiguous results with relatively flat time lags as a function of velocity. However, SBS 1116+583A exhibits a symmetric time lag response around the line center reminiscent of simple models for circularly orbiting broad-line region (BLR) clouds, and Arp 151 shows an asymmetric profile that is most easily explained by a simple gravitational infall model. Further investigation will be necessary to fully understand the constraints placed on physical models of the BLR by the velocity-resolved response in these objects.

We present the definitive data for the full sample of 131 strong gravitational lens candidates observed with the Advanced Camera for Surveys (ACS) aboard the Hubble Space Telescope by the Sloan Lens ACS (SLACS) Survey. All targets were selected for higher redshift emission lines and lower redshift continuum in a single Sloan Digital Sky Survey (SDSS) spectrum. The foreground galaxies are primarily of early-type morphology, with redshifts from z≃ 0.05 to 0.5 and velocity dispersions from σ ≃ 160 to 400 km s−1; the faint background emission-line galaxies have redshifts ranging from z≃ 0.2 to 1.2. We confirm 70 systems showing clear evidence of multiple imaging of the background galaxy by the foreground galaxy, as well as an additional 19 systems with probable multiple imaging. For 63 clear lensing systems, we present singular isothermal ellipsoid and light-traces-mass gravitational lens models fitted to the ACS imaging data. These strong-lensing mass measurements are supplemented by magnitudes and effective radii measured from ACS surface brightness photometry and redshifts and velocity dispersions measured from SDSS spectroscopy. These data constitute a unique resource for the quantitative study of the interrelations between mass, light, and kinematics in massive early-type galaxies. We show that the SLACS lens sample is statistically consistent with being drawn at random from a parent sample of SDSS galaxies with comparable spectroscopic parameters and effective radii, suggesting that the results of SLACS analyses can be generalized to the massive early-type population.

Strong lensing is a powerful tool to address three major astrophysical issues: understanding the spatial distribution of mass at kiloparsec and subkiloparsec scale, where baryons and dark matter interact to shape galaxies as we see them; determining the overall geometry, content, and kinematics of the Universe; and studying distant galaxies, black holes, and active nuclei that are too small or too faint to be resolved or detected with current instrumentation. After summarizing strong gravitational lensing fundamentals, I present a selection of recent important results. I conclude by discussing the exciting prospects of strong gravitational lensing in the next decade.

The combination of gravitational lensing and stellar dynamics breaks the mass-anisotropy degeneracy and provides stringent constraints on the distribution of luminous and dark matter in early-type (E/S0) galaxies out to z ≈ 1. We present new observations and models of three lens systems (CFRS 03.1077, HST 14176+5226, HST 15433+5352) and the combined results from the five field E/S0 lens galaxies at z ≈ 0.5-1.0 analyzed as part of the Lenses Structure and Dynamics (LSD) Survey. Our main results are as follows: (1) Constant mass-to-light ratio models are ruled out at greater than 99% CL for all five E/S0 galaxies, consistent with the presence of massive and extended dark matter halos. The range of projected dark matter mass fractions inside the Einstein radius is fDM = 0.37-0.72, or 0.15-0.65 inside the effective radius Re for isotropic models. (2) The average effective power-law slope of the total (luminous plus dark; ρtot ∝ r) mass distribution is ⟨γ'⟩ = 1.75 ± 0.10 (1.57 ± 0.16) for Osipkov-Merritt models with anisotropy radius ri = ∞ (Re) with an rms scatter of 0.2 (0.35), i.e., marginally flatter than isothermal (γ' = 2). The ratio between the observed central stellar velocity dispersion and that from the best-fit singular isothermal ellipsoid (SIE) lens model is ⟨fSIE⟩ = ⟨σ/σSIE⟩ = 0.87 ± 0.04 with 0.08 rms, consistent with flatter-than-isothermal density profiles. Considering that γ' > 2 and fSIE > 1 have been reported for other systems (i.e., B1608+656 and PG 1115+080), we conclude that there is a significant intrinsic scatter in the slope of the mass-density profile of lens galaxies (rms ~ 15%), similar to what is found for local E/S0 galaxies. Hence, the isothermal approximation is not sufficiently accurate for applications that depend critically on the slope of the mass-density profile, such as the measurement of the Hubble constant from time delays. (3) The average inner power-law slope γ of the dark matter halo is constrained to be ⟨γ⟩ = 1.3 (68% CL), if the stellar velocity ellipsoid is isotropic (ri = ∞), or an upper limit of γ < 0.6, if the galaxies are radially anisotropic (ri = Re). The observed range of slopes of the inner dark matter distribution is consistent with the results from numerical simulations only for an isotropic velocity ellipsoid and if baryonic collapse and star formation do not steepen dark matter density profiles. (4) The average stellar mass-to-light ratio evolves as d log(M*/LB)/dz = -0.72 ± 0.10, obtained via a fundamental plane analysis. An independent analysis based on lensing and dynamics gives an average ⟨d log(M*/LB)/dz⟩ = -0.75 ± 0.17. Both values indicate that the mass-to-light ratio evolution for our sample of field E/S0 galaxies is slightly faster than those in clusters, consistent with the hypothesis that field E/S0 galaxies experience secondary bursts (~10% in mass) of star formation at z < 1. These findings are consistent with pure luminosity evolution of E/S0 galaxies in the past 8 Gyr and would be hard to reconcile with scenarios involving significant structural and dynamical evolution.