We investigate the properties of quiescent and star-forming galaxy populations to z~2 with purely photometric data, employing a novel rest-frame color selection technique. From the UKIDSS Ultra-Deep Survey Data Release 1, with matched optical and mid-IR photometry taken from the Subaru XMM Deep Survey and Spitzer Wide-Area Infrared Extragalactic Survey respectively, we construct a K-selected galaxy catalog and calculate photometric redshifts. Excluding stars, objects with uncertain z_phot solutions, those that fall in bad or incomplete survey regions, and those for which reliable rest-frame colors could not be derived, 30108 galaxies with K<22.4 (AB) and z<2.5 remain. The galaxies in this sample are found to occupy two distinct populations in the rest-frame U-V vs. V-J color space: a clump of red, quiescent galaxies (analogous to the red sequence) and a track of star-forming galaxies extending from blue to red U-V colors. This bimodal behavior is seen up to z~2. Due to a combination of measurement errors and passive evolution, the color-color diagram is not suitable to distinguish the galaxy bimodality at z>2 for this sample, but we show that MIPS 24um data suggest that a significant population of quiescent galaxies exists even at these higher redshifts. At z=1-2, the most luminous objects in the sample are divided roughly equally between star-forming and quiescent galaxies, while at lower redshifts most of the brightest galaxies are quiescent. Moreover, quiescent galaxies at these redshifts are clustered more strongly than those actively forming stars, indicating that galaxies with early-quenched star formation may occupy more massive host dark matter halos. This suggests that the end of star formation is associated with, and perhaps brought about by, a mechanism related to halo mass.

We study the growth of massive galaxies from z=2 to the present using data from the NEWFIRM Medium Band Survey. The sample is selected at a constant number density of n=2x10^-4 Mpc^-3, so that galaxies at different epochs can be compared in a meaningful way. We show that the stellar mass of galaxies at this number density has increased by a factor of ~2 since z=2, following the relation log(M)=11.45-0.15z. In order to determine at what physical radii this mass growth occurred we construct very deep stacked rest-frame R-band images at redshifts z=0.6, 1.1, 1.6, and 2.0. These image stacks of typically 70-80 galaxies enable us to characterize the stellar distribution to surface brightness limits of ~28.5 mag/arcsec^2. We find that massive galaxies gradually built up their outer regions over the past 10 Gyr. The mass within a radius of r=5 kpc is nearly constant with redshift whereas the mass at 5-75 kpc has increased by a factor of ~4 since z=2. Parameterizing the surface brightness profiles we find that the effective radius and Sersic n parameter evolve as r_e~(1+z)^-1.3 and n~(1+z)^-1.0 respectively. The data demonstrate that massive galaxies have grown mostly inside-out, assembling their extended stellar halos around compact, dense cores with possibly exponential radial density distributions. Comparing the observed mass evolution to the average star formation rates of the galaxies we find that the growth is likely dominated by mergers, as in-situ star formation can only account for ~20% of the mass build-up from z=2 to z=0. The main uncertainties in this study are possible redshift-dependent systematic errors in the total stellar masses and the conversion from light-weighted to mass-weighted radial profiles.

Several recent studies have shown that about half of the massive galaxies at z ∼ 2 are in a quiescent phase. Moreover, these galaxies are commonly found to be ultra-compact with half-light radii of ∼1 kpc. We have obtained a ∼29 hr spectrum of a typical quiescent, ultra-dense galaxy at z = 2.1865 with the Gemini Near-Infrared Spectrograph. The spectrum exhibits a strong optical break and several absorption features, which have not previously been detected in z > 2 quiescent galaxies. Comparison of the spectral energy distribution with stellar population synthesis models implies a low star formation rate (SFR) of 1–3 M☉ yr−1, an age of 1.3–2.2 Gyr, and a stellar mass of ∼2 × 1011 M☉. We detect several faint emission lines, with emission-line ratios of [N ii]/Hα, [S ii]/Hα, and [O ii]/[O iii] typical of low-ionization nuclear emission-line regions. Thus, neither the stellar continuum nor the nebular emission implies active star formation. The current SFR is <1% of the past average SFR. If this galaxy is representative of compact quiescent galaxies beyond z = 2, it implies that quenching of star formation is extremely efficient and also indicates that low luminosity active galactic nuclei (AGNs) could be common in these objects. Nuclear emission is a potential concern for the size measurement. However, we show that the AGN contributes ≲8% to the rest-frame optical emission. A possible post-starburst population may affect size measurements more strongly; although a 0.5 Gyr old stellar population can make up ≲10% of the total stellar mass, it could account for up to ∼40% of the optical light. Nevertheless, this spectrum shows that this compact galaxy is dominated by an evolved stellar population.

Spectroscopic+photometric redshifts, stellar mass estimates, and rest-frame colors from the 3D-HST survey are combined with structural parameter measurements from CANDELS imaging to determine the galaxy size–mass distribution over the redshift range 0 < z < 3. Separating early- and late-type galaxies on the basis of star-formation activity, we confirm that early-type galaxies are on average smaller than late-type galaxies at all redshifts, and we find a significantly different rate of average size evolution at fixed galaxy mass, with fast evolution for the early-type population, Reff∝(1 + z)−1.48, and moderate evolution for the late-type population, Reff∝(1 + z)−0.75. The large sample size and dynamic range in both galaxy mass and redshift, in combination with the high fidelity of our measurements due to the extensive use of spectroscopic data, not only fortify previous results but also enable us to probe beyond simple average galaxy size measurements. At all redshifts the slope of the size–mass relation is shallow, , for late-type galaxies with stellar mass >3 × 109 M☉, and steep, , for early-type galaxies with stellar mass >2 × 1010 M☉. The intrinsic scatter is ≲0.2 dex for all galaxy types and redshifts. For late-type galaxies, the logarithmic size distribution is not symmetric but is skewed toward small sizes: at all redshifts and masses, a tail of small late-type galaxies exists that overlaps in size with the early-type galaxy population. The number density of massive (∼1011 M☉), compact (Reff < 2 kpc) early-type galaxies increases from z = 3 to z = 1.5–2 and then strongly decreases at later cosmic times.

[Abridged] We present the evolution of the stellar mass function (SMF) of galaxies from z=4.0 to z=1.3 measured from a sample constructed from the deep NIR MUSYC, the FIRES, and the GOODS-CDFS surveys, all having very high-quality optical to mid-infrared data. This sample, unique in that it combines data from surveys with a large range of depths and areas in a self-consistent way, allowed us to 1) minimize the uncertainty due to cosmic variance and empirically quantify its contribution to the total error budget; 2) simultaneously probe the high-mass end and the low-mass end (down to ~0.05 times the characteristic stellar mass) of the SMF with good statistics; and 3) empirically derive the redshift-dependent completeness limits in stellar mass. We provide, for the first time, a comprehensive analysis of random and systematic uncertainties affecting the derived SMFs. We find that the mass density evolves by a factor of ~17(+7,-10) since z=4.0, mostly driven by a change in the normalization Phi*. If only random errors are taken into account, we find evidence for mass-dependent evolution, with the low-mass end evolving more rapidly than the high-mass end. However, we show that this result is no longer robust when systematic uncertainties due to the SED-modeling assumptions are taken into account. Taking our results at face value, we find that they are in conflict with semi-analytic models of galaxy formation. The models predict SMFs that are in general too steep, with too many low-mass galaxies and too few high-mass galaxies. The discrepancy at the high-mass end is susceptible to uncertainties in the models and the data, but the discrepancy at the low-mass end may be more difficult to explain.

Ultra-deep Advanced Camera for Surveys (ACS) and WFC3/IR HUDF+HUDF09 data, along with the wide-area GOODS+ERS+CANDELS data over the CDF-S GOODS field, are used to measure UV colors, expressed as the UV-continuum slope β, of star-forming galaxies over a wide range of luminosity (0.1L*z = 3 to 2L*z = 3) at high redshift (z ∼ 7 to z ∼ 4). β is measured using all ACS and WFC3/IR passbands uncontaminated by Lyα and spectral breaks. Extensive tests show that our β measurements are only subject to minimal biases. Using a different selection procedure, Dunlop et al. recently found large biases in their β measurements. To reconcile these different results, we simulated both approaches and found that β measurements for faint sources are subject to large biases if the same passbands are used both to select the sources and to measure β. High-redshift galaxies show a well-defined rest-frame UV color–magnitude (CM) relationship that becomes systematically bluer toward fainter UV luminosities. No evolution is seen in the slope of the UV CM relationship in the first 1.5 Gyr, though there is a small evolution in the zero point to redder colors from z ∼ 7 to z ∼ 4. This suggests that galaxies are evolving along a well-defined sequence in the LUV–color (β) plane (a "star-forming sequence"?). Dust appears to be the principal factor driving changes in the UV color β with luminosity. These new larger β samples lead to improved dust extinction estimates at z ∼ 4–7 and confirm that the extinction is essentially zero at low luminosities and high redshifts. Inclusion of the new dust extinction results leads to (1) excellent agreement between the star formation rate (SFR) density at z ∼ 4–8 and that inferred from the stellar mass density; and (2) to higher specific star formation rates (SSFRs) at z ≳ 4, suggesting that the SSFR may evolve modestly (by factors of ∼2) from z ∼ 4–7 to z ∼ 2.

We present measurements of the stellar mass functions (SMFs) of star-forming and quiescent galaxies to z = 4 using a sample of 95,675 Ks-selected galaxies in the COSMOS/UltraVISTA field. The SMFs of the combined population are in good agreement with previous measurements and show that the stellar mass density of the universe was only 50%, 10%, and 1% of its current value at z ∼ 0.75, 2.0, and 3.5, respectively. The quiescent population drives most of the overall growth, with the stellar mass density of these galaxies increasing as ρstar∝(1 + z)−4.7 ± 0.4 since z = 3.5, whereas the mass density of star-forming galaxies increases as ρstar∝(1 + z)−2.3 ± 0.2. At z > 2.5, star-forming galaxies dominate the total SMF at all stellar masses, although a non-zero population of quiescent galaxies persists to z = 4. Comparisons of the Ks-selected star-forming galaxy SMFs with UV-selected SMFs at 2.5 < z < 4 show reasonable agreement and suggest that UV-selected samples are representative of the majority of the stellar mass density at z > 3.5. We estimate the average mass growth of individual galaxies by selecting galaxies at fixed cumulative number density. The average galaxy with log(Mstar/M☉) = 11.5 at z = 0.3 has grown in mass by only 0.2 dex (0.3 dex) since z = 2.0 (3.5), whereas those with log(Mstar/M☉) = 10.5 have grown by >1.0 dex since z = 2. At z < 2, the time derivatives of the mass growth are always larger for lower-mass galaxies, which demonstrates that the mass growth in galaxies since that redshift is mass-dependent and primarily bottom-up. Lastly, we examine potential sources of systematic uncertainties in the SMFs and find that those from photo-z templates, stellar population synthesis modeling, and the definition of quiescent galaxies dominate the total error budget in the SMFs.

We measure the UV-continuum slope β for over 4000 high-redshift galaxies over a wide range of redshifts z ∼ 4–8 and luminosities from the HST HUDF/XDF, HUDF09-1, HUDF09-2, ERS, CANDELS-N, and CANDELS-S data sets. Our new β results reach very faint levels at z ∼ 4 (−15.5 mag: ), z ∼ 5 (−16.5 mag: ), and z ∼ 6 and z ∼ 7 (−17 mag: ). Inconsistencies between previous studies led us to conduct a comprehensive review of systematic errors and develop a new technique for measuring β that is robust against biases that arise from the impact of noise. We demonstrate, by object-by-object comparisons, that all previous studies, including our own and those done on the latest HUDF12 data set, suffered from small systematic errors in β. We find that after correcting for the systematic errors (typically Δβ ∼ 0.1–0.2) all β results at z ∼ 7 from different groups are in excellent agreement. The mean β we measure for faint (−18 mag: ) z ∼ 4, z ∼ 5, z ∼ 6, and z ∼ 7 galaxies is −2.03 ± 0.03 ± 0.06 (random and systematic errors), −2.14 ± 0.06 ± 0.06, −2.24 ± 0.11 ± 0.08, and −2.30 ± 0.18 ± 0.13, respectively. Our new β values are redder than we have reported in the past, but bluer than other recent results. Our previously reported trend of bluer β's at lower luminosities is confirmed, as is the evolution to bluer β's at high redshifts. β appears to show only a mild luminosity dependence faintward of MUV, AB ∼ −19 mag, suggesting that the mean β asymptotes to ∼−2.2 to −2.4 for faint z ⩾ 4 galaxies. At z ∼ 7, the observed β's suggest non-zero, but low dust extinction, and they agree well with values predicted in cosmological hydrodynamical simulations.

Abstract We present an analysis of all prime HST legacy fields spanning >800 arcmin 2 in the search for z ∼ 10 galaxy candidates and the study of their UV luminosity function (LF). In particular, we present new z ∼ 10 candidates selected from the full Hubble Frontier Field (HFF) data set. Despite the addition of these new fields, we find a low abundance of z ∼ 10 candidates with only nine reliable sources identified in all prime HST data sets that include the HUDF09/12, the HUDF/XDF, all of the CANDELS fields, and now the HFF survey. Based on this comprehensive search, we find that the UV luminosity function decreases by one order of magnitude from z ∼ 8 to z ∼ 10 over a four-magnitude range. This also implies a decrease of the cosmic star formation rate density by an order of magnitude within 170 Myr from z ∼ 8 to z ∼ 10. We show that this accelerated evolution compared to lower redshift can entirely be explained by the fast build up of the dark matter halo mass function at z > 8. Consequently, the predicted UV LFs from several models of galaxy formation are in good agreement with this observed trend, even though the measured UV LF lies at the low end of model predictions. The difference is generally still consistent within the Poisson and cosmic variance uncertainties. We discuss the implications of these results in light of the upcoming James Webb Space Telescope mission, which is poised to find much larger samples of z ∼ 10 galaxies as well as their progenitors at less than 400 Myr after the big bang.

Abstract Observations with the James Webb Space Telescope (JWST) have uncovered numerous faint active galactic nuclei (AGN) at z ∼ 5 and beyond. These objects are key to our understanding of the formation of supermassive black holes (SMBHs), their coevolution with host galaxies, as well as the role of AGN in cosmic reionization. Using photometric colors and size measurements, we perform a search for compact red objects in an array of blank deep JWST/NIRCam fields totaling ∼640 arcmin 2 . Our careful selection yields 260 reddened AGN candidates at 4 < z phot < 9, dominated by a point-source-like central component (〈 r eff 〉 < 130 pc) and displaying a dichotomy in their rest-frame colors (blue UV and red optical slopes). Quasar model fitting reveals our objects to be moderately dust-extincted ( A V ∼ 1.6), which is reflected in their inferred bolometric luminosities of L bol = 10 44–47 erg s −1 and fainter UV magnitudes M UV ≃ −17 to −22. Thanks to the large areas explored, we extend the existing dusty AGN luminosity functions to both fainter and brighter magnitudes, estimating their number densities to be ×100 higher than for UV-selected quasars of similar magnitudes. At the same time, they constitute only a small fraction of all UV-selected galaxies at similar redshifts, but this percentage rises to ∼10% for M UV ∼ − 22 at z ∼ 7. Finally, assuming a conservative case of accretion at the Eddington rate, we place a lower limit on the SMBH mass function at z ∼ 5, finding it to be consistent with both theory and previous JWST observations.