We explore the simple inter-relationships between mass, star formation rate, and environment in the SDSS, zCOSMOS, and other deep surveys. We take a purely empirical approach in identifying those features of galaxy evolution that are demanded by the data and then explore the analytic consequences of these. We show that the differential effects of mass and environment are completely separable to z ∼ 1, leading to the idea of two distinct processes of "mass quenching" and "environment quenching." The effect of environment quenching, at fixed over-density, evidently does not change with epoch to z ∼ 1 in zCOSMOS, suggesting that the environment quenching occurs as large-scale structure develops in the universe, probably through the cessation of star formation in 30%–70% of satellite galaxies. In contrast, mass quenching appears to be a more dynamic process, governed by a quenching rate. We show that the observed constancy of the Schechter M* and αs for star-forming galaxies demands that the quenching of galaxies around and above M* must follow a rate that is statistically proportional to their star formation rates (or closely mimic such a dependence). We then postulate that this simple mass-quenching law in fact holds over a much broader range of stellar mass (2 dex) and cosmic time. We show that the combination of these two quenching processes, plus some additional quenching due to merging naturally produces (1) a quasi-static single Schechter mass function for star-forming galaxies with an exponential cutoff at a value M* that is set uniquely by the constant of proportionality between the star formation and mass quenching rates and (2) a double Schechter function for passive galaxies with two components. The dominant component (at high masses) is produced by mass quenching and has exactly the same M* as the star-forming galaxies but a faint end slope that differs by Δαs ∼ 1. The other component is produced by environment effects and has the same M* and αs as the star-forming galaxies but an amplitude that is strongly dependent on environment. Subsequent merging of quenched galaxies will modify these predictions somewhat in the denser environments, mildly increasing M* and making αs slightly more negative. All of these detailed quantitative inter-relationships between the Schechter parameters of the star-forming and passive galaxies, across a broad range of environments, are indeed seen to high accuracy in the SDSS, lending strong support to our simple empirically based model. We find that the amount of post-quenching "dry merging" that could have occurred is quite constrained. Our model gives a prediction for the mass function of the population of transitory objects that are in the process of being quenched. Our simple empirical laws for the cessation of star formation in galaxies also naturally produce the "anti-hierarchical" run of mean age with mass for passive galaxies, as well as the qualitative variation of formation timescale indicated by the relative α-element abundances.

The remarkable Hubble Space Telescope (HST) data sets from the CANDELS, HUDF09, HUDF12, ERS, and BoRG/HIPPIES programs have allowed us to map the evolution of the rest-frame UV luminosity function (LF) from to . We develop new color criteria that more optimally utilize the full wavelength coverage from the optical, near-IR, and mid-IR observations over our search fields, while simultaneously minimizing the incompleteness and eliminating redshift gaps. We have identified 5859, 3001, 857, 481, 217, and 6 galaxy candidates at , , , , , and , respectively, from the ∼1000 arcmin2 area covered by these data sets. This sample of >10,000 galaxy candidates at is by far the largest assembled to date with HST. The selection of 4–8 candidates over the five CANDELS fields allows us to assess the cosmic variance; the largest variations are at . Our new LF determinations at and span a 6 mag baseline and reach to –16 AB mag. These determinations agree well with previous estimates, but the larger samples and volumes probed here result in a more reliable sampling of galaxies and allow us to reassess the form of the UV LFs. Our new LF results strengthen our earlier findings to significance for a steeper faint-end slope of the UV LF at , with α evolving from at to at (and at ), consistent with that expected from the evolution of the halo mass function. We find less evolution in the characteristic magnitude M* from to the observed evolution in the LF is now largely represented by changes in . No evidence for a non-Schechter-like form to the z ∼ 4–8 LFs is found. A simple conditional LF model based on halo growth and evolution in the M/L ratio of halos provides a good representation of the observed evolution.

We present spectroscopic redshifts of a large sample of galaxies with IAB < 22.5 in the COSMOS field, measured from spectra of 10,644 objects that have been obtained in the first two years of observations in the zCOSMOS-bright redshift survey. These include a statistically complete subset of 10,109 objects. The average accuracy of individual redshifts is 110 km s−1, independent of redshift. The reliability of individual redshifts is described by a Confidence Class that has been empirically calibrated through repeat spectroscopic observations of over 600 galaxies. There is very good agreement between spectroscopic and photometric redshifts for the most secure Confidence Classes. For the less secure Confidence Classes, there is a good correspondence between the fraction of objects with a consistent photometric redshift and the spectroscopic repeatability, suggesting that the photometric redshifts can be used to indicate which of the less secure spectroscopic redshifts are likely right and which are probably wrong, and to give an indication of the nature of objects for which we failed to determine a redshift. Using this approach, we can construct a spectroscopic sample that is 99% reliable and which is 88% complete in the sample as a whole, and 95% complete in the redshift range 0.5 < z < 0.8. The luminosity and mass completeness levels of the zCOSMOS-bright sample of galaxies is also discussed.

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.

The 3D-HST and CANDELS programs have provided WFC3 and ACS spectroscopy and photometry over ~900 square arcminutes in five fields: AEGIS, COSMOS, GOODS-North, GOODS-South, and the UKIDSS UDS field. All these fields have a wealth of publicly available imaging datasets in addition to the HST data, which makes it possible to construct the spectral energy distributions (SEDs) of objects over a wide wavelength range. In this paper we describe a photometric analysis of the CANDELS and 3D-HST HST imaging and the ancillary imaging data at wavelengths 0.3um to 8um. Objects were selected in the WFC3 near-IR bands, and their SEDs were determined by carefully taking the effects of the point spread function in each observation into account. A total of 147 distinct imaging datasets were used in the analysis. The photometry is made available in the form of six catalogs: one for each field, as well as a master catalog containing all objects in the entire survey. We also provide derived data products: photometric redshifts, determined with the EAZY code, and stellar population parameters determined with the FAST code. We make all the imaging data that were used in the analysis available, including our reductions of the WFC3 imaging in all five fields. 3D-HST is a spectroscopic survey with the WFC3 and ACS grisms, and the photometric catalogs presented here constitute a necessary first step in the analysis of these grism data. All the data presented in this paper are available through the 3D-HST website.

We present the Galaxy Stellar Mass Function (MF) up to z~1 from the zCOSMOS-bright 10k spectroscopic sample. We investigate the total MF and the contribution of ETGs and LTGs, defined by different criteria (SED, morphology or star formation). We unveil a galaxy bimodality in the global MF, better represented by 2 Schechter functions dominated by ETGs and LTGs, respectively. For the global population we confirm that low-mass galaxies number density increases later and faster than for massive galaxies. We find that the MF evolution at intermediate-low values of Mstar (logM<10.6) is mostly explained by the growth in stellar mass driven by smoothly decreasing star formation activities. The low residual evolution is consistent with ~0.16 merger per galaxy per Gyr (of which fewer than 0.1 are major). We find that ETGs increase in number density with cosmic time faster for decreasing Mstar, with a median "building redshift" increasing with mass, in contrast with hierarchical models. For LTGs we find that the number density of blue or spiral galaxies remains almost constant from z~1. Instead, the most extreme population of active star forming galaxies is rapidly decreasing in number density. We suggest a transformation from blue active spirals of intermediate mass into blue quiescent and successively (1-2 Gyr after) into red passive types. The complete morphological transformation into red spheroidals, required longer time-scales or follows after 1-2 Gyr. A continuous replacement of blue galaxies is expected by low-mass active spirals growing in stellar mass. We estimate that on average ~25% of blue galaxies is transforming into red per Gyr for logM<11. We conclude that the build-up of galaxies and ETGs follows the same downsizing trend with mass as the formation of their stars, converse to the trend predicted by current SAMs. We expect a negligible evolution of the global Galaxy Baryonic MF.

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 The identification of red, apparently massive galaxies at z > 7 in early James Webb Space Telescope (JWST) photometry suggests a strongly accelerated time line compared to standard models of galaxy growth. A major uncertainty in the interpretation is whether the red colors are caused by evolved stellar populations, dust, or other effects such as emission lines or active galactic nuclei (AGNs). Here we show that three of the massive galaxy candidates at z = 6.7–8.4 have prominent Balmer breaks in JWST/NIRSpec spectroscopy from the RUBIES program. The Balmer breaks demonstrate unambiguously that stellar emission dominates at λ rest = 0.4 μ m and require formation histories extending hundreds of millions of years into the past in galaxies only 600–800 Myr after the big bang. Two of the three galaxies also show broad Balmer lines, with H β FWHM > 2500 km s −1 , suggesting that dust-reddened AGNs contribute to, or even dominate, the spectral energy distributions of these galaxies at λ rest ≳ 0.6 μ m. All three galaxies have relatively narrow [O iii ] lines, seemingly ruling out a high-mass interpretation if the lines arise in dynamically relaxed, inclined disks. Yet the inferred masses also remain highly uncertain. We model the high-quality spectra using Prospector to decompose the continuum into stellar and AGN components and explore limiting cases in stellar/AGN contribution. This produces a wide range of possible stellar masses, spanning M ⋆ ∼ 10 9 −10 11 M ⊙ . Nevertheless, all fits suggest a very early and rapid formation, most of which follow with a truncation in star formation. Potential origins and evolutionary tracks for these objects are discussed, from the cores of massive galaxies to low-mass galaxies with overmassive black holes. Intriguingly, we find all of these explanations to be incomplete; deeper and redder data are needed to understand the physics of these systems.