The Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) is designed to document the first third of galactic evolution, over the approximate redshift (z) range 8--1.5. It will image >250,000 distant galaxies using three separate cameras on the Hubble Space Telescope, from the mid-ultraviolet to the near-infrared, and will find and measure Type Ia supernovae at z>1.5 to test their accuracy as standardizable candles for cosmology. Five premier multi-wavelength sky regions are selected, each with extensive ancillary data. The use of five widely separated fields mitigates cosmic variance and yields statistically robust and complete samples of galaxies down to a stellar mass of 10^9 M_\odot to z \approx 2, reaching the knee of the ultraviolet luminosity function (UVLF) of galaxies to z \approx 8. The survey covers approximately 800 arcmin^2 and is divided into two parts. The CANDELS/Deep survey (5\sigma\ point-source limit H=27.7 mag) covers \sim 125 arcmin^2 within GOODS-N and GOODS-S. The CANDELS/Wide survey includes GOODS and three additional fields (EGS, COSMOS, and UDS) and covers the full area to a 5\sigma\ point-source limit of H \gtrsim 27.0 mag. Together with the Hubble Ultra Deep Fields, the strategy creates a three-tiered "wedding cake" approach that has proven efficient for extragalactic surveys. Data from the survey are nonproprietary and are useful for a wide variety of science investigations. In this paper, we describe the basic motivations for the survey, the CANDELS team science goals and the resulting observational requirements, the field selection and geometry, and the observing design. The Hubble data processing and products are described in a companion paper.

We present the deepest 100 to 500 μm far-infrared observations obtained with the Herschel Space Observatory as part of the GOODS-Herschel key program, and examine the infrared (IR) 3–500 μm spectral energy distributions (SEDs) of galaxies at 0 < z < 2.5, supplemented by a local reference sample from IRAS, ISO, Spitzer, and AKARI data. We determine the projected star formation densities of local galaxies from their radio and mid-IR continuum sizes.

We present the Spectroscopic Imaging survey in the near-infrared (near-IR) with SINFONI (SINS) of high-redshift galaxies. With 80 objects observed and 63 detected in at least one rest-frame optical nebular emission line, mainly Hα, SINS represents the largest survey of spatially resolved gas kinematics, morphologies, and physical properties of star-forming galaxies at z ∼ 1–3. We describe the selection of the targets, the observations, and the data reduction. We then focus on the "SINS Hα sample," consisting of 62 rest-UV/optically selected sources at 1.3 < z < 2.6 for which we targeted primarily the Hα and [N ii] emission lines. Only ≈30% of this sample had previous near-IR spectroscopic observations. The galaxies were drawn from various imaging surveys with different photometric criteria; as a whole, the SINS Hα sample covers a reasonable representation of massive M⋆ ≳ 1010 M☉star-forming galaxies at z ≈ 1.5–2.5, with some bias toward bluer systems compared to pure K-selected samples due to the requirement of secure optical redshift. The sample spans 2 orders of magnitude in stellar mass and in absolute and specific star formation rates, with median values ≈3 × 1010 M☉, ≈70 M☉ yr−1, and ≈3 Gyr−1. The ionized gas distribution and kinematics are spatially resolved on scales ranging from ≈1.5 kpc for adaptive optics assisted observations to typically ≈4–5 kpc for seeing-limited data. The Hα morphologies tend to be irregular and/or clumpy. About one-third of the SINS Hα sample galaxies are rotation-dominated yet turbulent disks, another one-third comprises compact and velocity dispersion-dominated objects, and the remaining galaxies are clear interacting/merging systems; the fraction of rotation-dominated systems increases among the more massive part of the sample. The Hα luminosities and equivalent widths suggest on average roughly twice higher dust attenuation toward the H ii regions relative to the bulk of the stars, and comparable current and past-averaged star formation rates.

This paper describes the Hubble Space Telescope imaging data products and data reduction procedures for the Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS). This survey is designed to document the evolution of galaxies and black holes at $z\sim1.5-8$, and to study Type Ia SNe beyond $z>1.5$. Five premier multi-wavelength sky regions are selected, each with extensive multiwavelength observations. The primary CANDELS data consist of imaging obtained in the Wide Field Camera 3 / infrared channel (WFC3/IR) and UVIS channel, along with the Advanced Camera for Surveys (ACS). The CANDELS/Deep survey covers \sim125 square arcminutes within GOODS-N and GOODS-S, while the remainder consists of the CANDELS/Wide survey, achieving a total of \sim800 square arcminutes across GOODS and three additional fields (EGS, COSMOS, and UDS). We summarize the observational aspects of the survey as motivated by the scientific goals and present a detailed description of the data reduction procedures and products from the survey. Our data reduction methods utilize the most up to date calibration files and image combination procedures. We have paid special attention to correcting a range of instrumental effects, including CTE degradation for ACS, removal of electronic bias-striping present in ACS data after SM4, and persistence effects and other artifacts in WFC3/IR. For each field, we release mosaics for individual epochs and eventual mosaics containing data from all epochs combined, to facilitate photometric variability studies and the deepest possible photometry. A more detailed overview of the science goals and observational design of the survey are presented in a companion paper.

Two main modes of star formation are know to control the growth of galaxies: a relatively steady one in disk-like galaxies, defining a tight star formation rate (SFR)–stellar mass sequence, and a starburst mode in outliers to such a sequence which is generally interpreted as driven by merging. Such starburst galaxies are rare but have much higher SFRs, and it is of interest to establish the relative importance of these two modes. PACS/Herschel observations over the whole COSMOS and GOODS-South fields, in conjunction with previous optical/near-IR data, have allowed us to accurately quantify for the first time the relative contribution of the two modes to the global SFR density in the redshift interval 1.5 < z < 2.5, i.e., at the cosmic peak of the star formation activity. The logarithmic distributions of galaxy SFRs at fixed stellar mass are well described by Gaussians, with starburst galaxies representing only a relatively minor deviation that becomes apparent for SFRs more than four times higher than on the main sequence. Such starburst galaxies represent only 2% of mass-selected star-forming galaxies and account for only 10% of the cosmic SFR density at z ∼ 2. Only when limited to SFR > 1000 M☉ yr−1, off-sequence sources significantly contribute to the SFR density (46% ± 20%). We conclude that merger-driven starbursts play a relatively minor role in the formation of stars in galaxies, whereas they may represent a critical phase toward the quenching of star formation and morphological transformation in galaxies.

We present evidence that 'bona fide' disks and starburst systems occupy distinct regions in the gas mass versus star formation (SF) rate plane, both for the integrated quantities and for the respective surface densities. This result is based on CO observations of galaxy populations at low and high redshifts, and on the current consensus for the CO luminosity to gas mass conversion factors. The data suggest the existence of two different star formation regimes: a long-lasting mode for disks and a more rapid mode for starbursts, the latter probably occurring during major mergers or in dense nuclear SF regions. Both modes are observable over a large range of SF rates. The detection of CO emission from distant near-IR selected galaxies reveals such bimodal behavior for the first time, as they allow us to probe gas in disk galaxies with much higher SF rates than are seen locally. The different regimes can potentially be interpreted as the effect of a top-heavy IMF in starbursts. However, we favor a different physical origin related to the fraction of molecular gas in dense clouds. The IR luminosity to gas mass ratio (i.e., the SF efficiency) appears to be inversely proportional to the dynamical (rotation) timescale. Only when accounting for the dynamical timescale, a universal SF law is obtained, suggesting a direct link between global galaxy properties and the local SF rate.

A simple two-color selection based on B-, z-, and K-band photometry is proposed for culling galaxies at 1.4 ≲ z ≲ 2.5 in K-selected samples and classifying them as star-forming or passive systems. The method is calibrated on the highly complete spectroscopic redshift database of the K20 survey, verified with simulations and tested on other data sets. Requiring BzK = (z - K)AB - (B - z)AB > -0.2 allows us to select actively star-forming galaxies at z ≳ 1.4, independently of their dust reddening. On the other hand, objects with BzK < -0.2 and (z - K)AB > 2.5 colors include passively evolving galaxies at z ≳ 1.4, often with spheroidal morphologies. Simple recipes to estimate the reddening, star formation rates (SFRs), and masses of BzK-selected galaxies are derived and are calibrated on K < 20 galaxies. These K < 20 galaxies have typical stellar masses of ~1011 M☉ and sky and volume densities of ~1 arcmin-2 and ~10-4 Mpc-3, respectively. Based on their UV (reddening-corrected), X-ray, and radio luminosities, the BzK-selected star-forming galaxies with K < 20 turn out to have average SFR ≈ 200 M☉ yr-1 and median reddening E(B - V) ~ 0.4. This SFR is a factor of 10 higher than that of z ~ 1 dusty extremely red objects, and a factor of 3 higher than found for z ~ 2 UV-selected galaxies, both at similar K limits. Besides missing the passively evolving galaxies, the UV selection appears to miss some relevant fraction of the z ~ 2 star-forming galaxies with K < 20, and hence of the (obscured) SFR density at this redshift. The high SFRs and masses add to other existing evidence that these z = 2 star-forming galaxies may be among the precursors of z = 0 early-type galaxies. A V/Vmax test suggests that such a population may be increasing in number density with increasing redshift. Theoretical models cannot reproduce simultaneously the space density of both passively evolving and highly star-forming galaxies at z = 2. In view of Spitzer Space Telescope observations, an analogous technique based on RJL photometry is proposed to complement the BzK selection and to identify massive galaxies at 2.5 ≲ z ≲ 4.0. By selecting passively evolving galaxies as well as actively star-forming galaxies (including strongly dust-reddened ones), these color criteria should help in completing the census of the stellar mass and of the SFR density at high redshift.

Using data from the mid-infrared to millimeter wavelengths for individual galaxies and for stacked ensembles at 0.5, which is proportional to the dust mass weighted luminosity (LIR/Mdust), and the primary parameter defining the shape of the SED, is equivalent to SFE/Z. For MS galaxies we measure this quantity, , showing that it does not depend significantly on either the stellar mass or the sSFR. This is explained as a simple consequence of the existing correlations between SFR-M*, M*-Z and Mgas-SFR. Instead, we show that  (or LIR/Mdust) does evolve, with MS galaxies having harder radiation fields and thus warmer temperatures as redshift increases from z=0 to 2, a trend which can also be understood based on the redshift evolution of the M*-Z and SFR-M* relations. These results motivate the construction of a universal set of SED templates for MS galaxies which vary as a function of redshift with only one parameter, .