Gravitational lensing is a powerful astrophysical and cosmological probe and is particularly valuable at submillimeter wavelengths for the study of the statistical and individual properties of dusty starforming galaxies. However the identification of gravitational lenses is often time-intensive, involving the sifting of large volumes of imaging or spectroscopic data to find few candidates. We used early data from the Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey to demonstrate that wide-area submillimeter surveys can simply and easily detect strong gravitational lensing events, with close to 100% efficiency.

The Herschel ATLAS is the largest open-time key project that will be carried out on the Herschel Space Observatory. It will survey 570 deg2 of the extragalactic sky, 4 times larger than all the other Herschel extragalactic surveys combined, in five far-infrared and submillimeter bands. We describe the survey, the complementary multiwavelength data sets that will be combined with the Herschel data, and the six major science programs we are undertaking. Using new models based on a previous submillimeter survey of galaxies, we present predictions of the properties of the ATLAS sources in other wave bands.

(Abridged) We study relationships between the SFR and the nuclear properties of X-ray selected AGNs out to z=2.5, using far-IR data in three extragalactic deep fields as part of the PACS Evolutionary Probe (PEP) program. Guided by studies of intrinsic infra-red AGN SEDs, we show that the majority of the FIR emission in AGNs is produced by cold dust heated by star-formation. We uncover characteristic redshift-dependent trends between the mean FIR luminosity (L_fir) and accretion luminosity (L_agn) of AGNs. At low AGN luminosities, accretion and SFR are uncorrelated at all redshifts, consistent with a scenario where most low-luminosity AGNs are primarily fueled by secular processes in their host galaxies. At high AGN luminosities, a significant correlation is observed between L_fir and L_agn, but only among AGNs at low and moderate redshifts (z<1). We interpret this as a signature of the increasing importance of major-mergers in driving both the growth of super-massive black holes (SMBHs) and global star-formation in their hosts at high AGN luminosities. However, we also find that the enhancement of SFR in luminous AGNs weakens or disappears at high redshifts (z>1). This suggests that the role of mergers in SMBH-galaxy co-evolution is less important at these epochs. At all redshifts, we find essentially no relationship between L_fir and nuclear obscuration across five orders of magnitude in obscuring column density, suggesting that various different mechanisms are likely to be responsible for obscuring X-rays in active galaxies. We explain our results within a scenario in which two different modes of SMBH fueling operate among low- and high-luminosity AGNs. We postulate, guided by emerging knowledge about the properties of high redshift galaxies, that the dominant mode of accretion among high-luminosity AGNs evolves with redshift.

Deep far-infrared photometric surveys studying galaxy evolution and the nature of the cosmic infrared background are a key strength of the Herschel mission. We describe the scientific motivation for the PACS Evolutionary Probe (PEP) guaranteed time key program and its role within the entire set of Herschel surveys, and the field selection that includes popular multiwavelength fields such as GOODS, COSMOS, Lockman Hole, ECDFS, and EGS. We provide an account of the observing strategies and data reduction methods used. An overview of first science results illustrates the potential of PEP in providing calorimetric star formation rates for high-redshift galaxy populations, thus testing and superseding previous extrapolations from other wavelengths, and enabling a wide range of galaxy evolution studies.

We study a sample of 61 submillimetre galaxies (SMGs) selected from ground-based surveys, with known spectroscopic redshifts and observed with Herschel as part of the PACS Evolutionary Probe (PEP) and the Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey (HerMES) key programmes. We use the broad far-infrared wavelength coverage (100-600um) provided by the combination of PACS and SPIRE observations. Using a power-law temperature distribution model to derive infrared luminosities and dust temperatures, we measure a dust emissivity spectral index for SMGs of beta=2.0+/-0.2. Our results unveil the diversity of the SMG population. Some SMGs exhibit extreme infrared luminosities of ~10^13 Lsun and relatively warm dust components, while others are fainter (~10^12 Lsun) and are biased towards cold dust temperatures. The extreme infrared luminosities of some SMGs (LIR>10^12.7 Lsun, 26/61 systems) imply SFRs of >500Msun yr^-1. Such high SFRs are difficult to reconcile with a secular mode of star formation, and may instead correspond to a merger-driven stage in the evolution of these galaxies. Another observational argument in favour of this scenario is the presence of dust temperatures warmer than that of SMGs of lower luminosities (~40K as opposed to ~25K), consistent with observations of local ULIRGs triggered by major mergers and with results from hydrodynamic simulations of major mergers combined with radiative transfer calculations. Luminous SMGs are also offset from normal star-forming galaxies in the stellar mass-SFR plane, suggesting that they are undergoing starburst events with short duty cycles, compatible with the major merger scenario. On the other hand, a significant fraction of the low infrared luminosity SMGs have cold dust temperatures, are located close to the main sequence of star formation, and thus might be evolving through a secular mode of star formation. [abridged]

We use deep Herschel PACS and SPIRE observations in GOODSS, GOODSN and COSMOS to estimate the average dust mass (Mdust) of galaxies on a redshift-stellar mass (Mstar)-SFR grid. We study the scaling relations between Mdust, Mstar and SFR at z<=2.5. No clear evolution of Mdust is observed at fixed SFR and Mstar. We find a tight correlation between SFR and Mdust, likely a consequence of the Schmidt-Kennicutt (S-K) law. The Mstar-Mdust correlation observed by previous works flattens or sometimes disappears when fixing the SFR. Most of it likely derives from the combination of the Mdust-SFR and Mstar-SFR correlations. We then investigate the gas content as inferred by converting Mdust by assuming that the dust/gas ratio scales linearly with the gas metallicity. All galaxies in the sample follow, within uncertainties, the same SFR-Mgas relation (integrated S-K law), which broadly agrees with CO-based results for the bulk of the population, despite the completely different approaches. The majority of galaxies at z~2 form stars with an efficiency (SFE=SFR/Mgas) ~5 times higher than at z~0. It is not clear what fraction of such variation is an intrinsic redshift evolution and what fraction arises from selection effects. The gas fraction (fgas) decreases with Mstar and increases with SFR, and does not evolve with z at fixed Mstar and SFR. We explain these trends by introducing a universal relation between fgas, Mstar and SFR, non-evolving out to z~2.5. Galaxies move across this relation as their gas content evolves in time. We use the 3D fundamental fgas-Mstar-SFR relation and the redshift evolution of the Main Sequence to estimate the evolution of fgas in the average population of galaxies as a function of z and Mstar, and we find evidence a downsizing scenario.