We present a catalog of galaxy clusters selected via their Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect signature from 2500 deg$^2$ of South Pole Telescope (SPT) data. This work represents the complete sample of clusters detected at high significance in the 2500-square-degree SPT-SZ survey, which was completed in 2011. A total of 677 (409) cluster candidates are identified above a signal-to-noise threshold of $\xi$ =4.5 (5.0). Ground- and space-based optical and near-infrared (NIR) imaging confirms overdensities of similarly colored galaxies in the direction of 516 (or 76%) of the $\xi$>4.5 candidates and 387 (or 95%) of the $\xi$>5 candidates; the measured purity is consistent with expectations from simulations. Of these confirmed clusters, 415 were first identified in SPT data, including 251 new discoveries reported in this work. We estimate photometric redshifts for all candidates with identified optical and/or NIR counterparts; we additionally report redshifts derived from spectroscopic observations for 141 of these systems. The mass threshold of the catalog is roughly independent of redshift above $z$~0.25 leading to a sample of massive clusters that extends to high redshift. The median mass of the sample is $M_{\scriptsize 500c}(\rho_\mathrm{crit})$ ~ 3.5 x 10$^{14} M_\odot h^{-1}$, the median redshift is $z_{med}$ =0.55, and the highest-redshift systems are at $z$>1.4. The combination of large redshift extent, clean selection, and high typical mass makes this cluster sample of particular interest for cosmological analyses and studies of cluster formation and evolution.

We describe the first public data release of the Dark Energy Survey, DES DR1, consisting of reduced single-epoch images, co-added images, co-added source catalogs, and associated products and services assembled over the first 3 yr of DES science operations. DES DR1 is based on optical/near-infrared imaging from 345 distinct nights (2013 August to 2016 February) by the Dark Energy Camera mounted on the 4 m Blanco telescope at the Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile. We release data from the DES wide-area survey covering ∼5000 deg2 of the southern Galactic cap in five broad photometric bands, grizY. DES DR1 has a median delivered point-spread function of , r = 0.96, i = 0.88, z = 0.84, and Y = 090 FWHM, a photometric precision of <1% in all bands, and an astrometric precision of 151 . The median co-added catalog depth for a 195 diameter aperture at signal-to-noise ratio (S/N) = 10 is g = 24.33, r = 24.08, i = 23.44, z = 22.69, and Y = 21.44 . DES DR1 includes nearly 400 million distinct astronomical objects detected in ∼10,000 co-add tiles of size 0.534 deg2 produced from ∼39,000 individual exposures. Benchmark galaxy and stellar samples contain ∼310 million and ∼80 million objects, respectively, following a basic object quality selection. These data are accessible through a range of interfaces, including query web clients, image cutout servers, jupyter notebooks, and an interactive co-add image visualization tool. DES DR1 constitutes the largest photometric data set to date at the achieved depth and photometric precision.

(abridged) We present cosmological constraints obtained from galaxy clusters identified by their Sunyaev-Zel'dovich effect signature in the 2500 square degree South Pole Telescope Sunyaev Zel'dovich survey. We consider the 377 cluster candidates identified at z>0.25 with a detection significance greater than five, corresponding to the 95% purity threshold for the survey. We compute constraints on cosmological models using the measured cluster abundance as a function of mass and redshift. We include additional constraints from multi-wavelength observations, including Chandra X-ray data for 82 clusters and a weak lensing-based prior on the normalization of the mass-observable scaling relations. Assuming a LCDM cosmology, where the species-summed neutrino mass has the minimum allowed value (mnu = 0.06 eV) from neutrino oscillation experiments, we combine the cluster data with a prior on H0 and find sigma_8 = 0.797+-0.031 and Omega_m = 0.289+-0.042, with the parameter combination sigma_8(Omega_m/0.27)^0.3 = 0.784+-0.039. These results are in good agreement with constraints from the CMB from SPT, WMAP, and Planck, as well as with constraints from other cluster datasets. Adding mnu as a free parameter, we find mnu = 0.14+-0.08 eV when combining the SPT cluster data with Planck CMB data and BAO data, consistent with the minimum allowed value. Finally, we consider a cosmology where mnu and N_eff are fixed to the LCDM values, but the dark energy equation of state parameter w is free. Using the SPT cluster data in combination with an H0 prior, we measure w = -1.28+-0.31, a constraint consistent with the LCDM cosmological model and derived from the combination of growth of structure and geometry. When combined with primarily geometrical constraints from Planck CMB, H0, BAO and SNe, adding the SPT cluster data improves the w constraint from the geometrical data alone by 14%, to w = -1.023+-0.042.

We use a set of hydrodynamical and dark matter-only (DMonly) simulations to calibrate the halo mass function (HMF). We explore the impact of baryons, propose an improved parametrization for spherical overdensity masses, and identify differences between our DMonly HMF and previously published HMFs. We use the Magneticum simulations, which are well suited because of their accurate treatment of baryons, high resolution, and large cosmological volumes of up to (3818 Mpc)3. Baryonic effects globally decrease the masses of galaxy clusters, which, at a given mass, results in a decrease of their number density. This effect vanishes at high redshift z ∼ 2 and for high masses M200 m ≳ 1014 M⊙. We perform cosmological analyses of three idealized approximations to the cluster surveys by the South Pole Telescope (SPT), Planck, and eROSITA. We pursue two main questions. (1) What is the impact of baryons? – for the SPT-like and the Planck-like samples, the impact of baryons on cosmological results is negligible. In the eROSITA-like case, however, neglecting the baryonic impact leads to an underestimate of Ωm by about 0.01, which is comparable to the expected uncertainty from eROSITA. (2) How does our DMonly HMF compare with previous work? – for the Planck-like sample, results obtained using our DMonly HMF are shifted by Δ(σ8) ≃ Δ(σ8(Ωm/0.27)0.3) ≃ 0.02 with respect to results obtained using the Tinker et al. fit. This suggests that using our HMF would shift results from Planck clusters towards better agreement with cosmic-microwave-background anisotropy measurements. Finally, we discuss biases that can be introduced through inadequate HMF parametrizations that introduce false cosmological sensitivity.

We present forecasts for constraints on the Hu and Sawicki f(R) modified gravity model using realistic mock data representative of future cluster and weak lensing surveys. We create mock thermal Sunyaev-Zel’dovich effect selected cluster samples for SPT-3G and CMB-S4 and the corresponding weak gravitational lensing data from next-generation weak-lensing (ngWL) surveys like Euclid and Rubin. We employ a state-of-the-art Bayesian likelihood approach that includes all observational effects and systematic uncertainties to obtain constraints on the f(R) gravity parameter log10|fR0|. In this analysis we vary the cosmological parameters [Ωm,Ωνh2,h,As,ns,log10|fR0|], which allows us to account for possible degeneracies between cosmological parameters and f(R) modified gravity. The analysis accounts for f(R) gravity via its effect on the halo mass function which is enhanced on cluster mass scales compared to the expectations within general relativity (GR). Assuming a fiducial GR model, the upcoming cluster dataset SPT−3G×ngWL is expected to obtain an upper limit of log10|fR0|<−5.95 at 95% credibility, which significantly improves upon the current best bounds. The CMB−S4×ngWL dataset is expected to improve this even further to log10|fR0|<−6.23. Furthermore, f(R) gravity models with log10|fR0|≥−6, which have larger numbers of clusters, would be distinguishable from GR with both datasets. We also report degeneracies between log10|fR0| and Ωm as well as σ8 for log10|fR0|>−6 and log10|fR0|>−5 respectively. Our forecasts indicate that future cluster abundance studies of f(R) gravity will enable substantially improved constraints that are competitive with other cosmological probes. Published by the American Physical Society 2024

ABSTRACT We present simulation-based cosmological wcold dark matter (wCDM) inference using dark energy survey year 3 weak-lensing maps, via neural data compression of weak-lensing map summary statistics: power spectra, peak counts, and direct map-level compression/inference with convolutional neural networks (CNN). Using simulation-based inference, also known as likelihood-free or implicit inference, we use forward-modelled mock data to estimate posterior probability distributions of unknown parameters. This approach allows all statistical assumptions and uncertainties to be propagated through the forward-modelled mock data; these include sky masks, non-Gaussian shape noise, shape measurement bias, source galaxy clustering, photometric redshift uncertainty, intrinsic galaxy alignments, non-Gaussian density fields, neutrinos, and non-linear summary statistics. We include a series of tests to validate our inference results. This paper also describes the Gower Street simulation suite: 791 full-sky pkdgrav3 dark matter simulations, with cosmological model parameters sampled with a mixed active-learning strategy, from which we construct over 3000 mock dark energy survey lensing data sets. For wCDM inference, for which we allow $-1&lt; w&lt; -\frac{1}{3}$, our most constraining result uses power spectra combined with map-level (CNN) inference. Using gravitational lensing data only, this map-level combination gives $\Omega _{\rm m}= 0.283^{+0.020}_{-0.027}$, ${S_8 = 0.804^{+0.025}_{-0.017}}$, and $w &lt; -0.80$ (with a 68 per cent credible interval); compared to the power spectrum inference, this is more than a factor of two improvement in dark energy parameter ($\Omega _{\rm DE}, w$) precision.

Abstract We present a precise measurement of cosmological time dilation using the light curves of 1504 type Ia supernovae from the Dark Energy Survey spanning a redshift range 0.1 ≲ z ≲ 1.2. We find that the width of supernova light curves is proportional to (1 + z), as expected for time dilation due to the expansion of the Universe. Assuming type Ia supernovae light curves are emitted with a consistent duration Δtem, and parameterising the observed duration as Δtobs = Δtem(1 + z)b, we fit for the form of time dilation using two methods. Firstly, we find that a power of b ≈ 1 minimises the flux scatter in stacked subsamples of light curves across different redshifts. Secondly, we fit each target supernova to a stacked light curve (stacking all supernovae with observed bandpasses matching that of the target light curve) and find b = 1.003 ± 0.005 (stat) ± 0.010 (sys). Thanks to the large number of supernovae and large redshift-range of the sample, this analysis gives the most precise measurement of cosmological time dilation to date, ruling out any non-time-dilating cosmological models at very high significance.

ABSTRACT We present an extension to a Sunyaev–Zel’dovich Effect (SZE) selected cluster catalogue based on observations from the South Pole Telescope (SPT); this catalogue extends to lower signal to noise than the previous SPT–SZ catalogue and therefore includes lower mass clusters. Optically derived redshifts, centres, richnesses, and morphological parameters together with catalogue contamination and completeness statistics are extracted using the multicomponent matched filter (MCMF) algorithm applied to the S/N &gt; 4 SPT–SZ candidate list and the Dark Energy Survey (DES) photometric galaxy catalogue. The main catalogue contains 811 sources above S/N = 4, has 91 per cent purity, and is 95 per cent complete with respect to the original SZE selection. It contains in total 50 per cent more clusters and twice as many clusters above z = 0.8 in comparison to the original SPT-SZ sample. The MCMF algorithm allows us to define subsamples of the desired purity with traceable impact on catalogue completeness. As an example, we provide two subsamples with S/N &gt; 4.25 and S/N &gt; 4.5 for which the sample contamination and cleaning-induced incompleteness are both as low as the expected Poisson noise for samples of their size. The subsample with S/N &gt; 4.5 has 98 per cent purity and 96 per cent completeness and is part of our new combined SPT cluster and DES weak-lensing cosmological analysis. We measure the number of false detections in the SPT-SZ candidate list as function of S/N, finding that it follows that expected from assuming Gaussian noise, but with a lower amplitude compared to previous estimates from simulations.

The residuals of the distance moduli of Type Ia supernovae (SN Ia) relative to a Hubble diagram fit contain information about the inhomogeneity of the universe, due to weak lensing magnification by foreground matter. By correlating the residuals of the Dark Energy Survey Year 5 SN Ia sample (DES-SN5YR) with extra-galactic foregrounds from the DES Y3 Gold catalog, we detect the presence of lensing at $6.0 \sigma$ significance. This is the first detection with a significance level above $5\sigma$. Constraints on the effective mass-to-light ratios and radial profiles of dark-matter haloes surrounding individual galaxies are also obtained. We show that the scatter of SNe Ia around the Hubble diagram is reduced by modifying the standardisation of the distance moduli to include an easily calculable de-lensing (i.e., environmental) term. We use the de-lensed distance moduli to recompute cosmological parameters derived from SN Ia, finding in Flat $w$CDM a difference of $\Delta \Omega_{\rm M} = +0.036$ and $\Delta w = -0.056$ compared to the unmodified distance moduli, a change of $\sim 0.3\sigma$. We argue that our modelling of SN Ia lensing will lower systematics on future surveys with higher statistical power. We use the observed dispersion of lensing in DES-SN5YR to constrain $\sigma_8$, but caution that the fit is sensitive to uncertainties at small scales. Nevertheless, our detection of SN Ia lensing opens a new pathway to study matter inhomogeneity that complements galaxy-galaxy lensing surveys and has unrelated systematics.