Using a compilation of 25 studies from the literature, we investigate the evolution of the star-forming galaxy (SFG) main sequence (MS) in stellar mass and star formation rate (SFR) out to z ∼ 6. After converting all observations to a common set of calibrations, we find a remarkable consensus among MS observations (∼0.1 dex 1σ interpublication scatter). By fitting for time evolution of the MS in bins of constant mass, we deconvolve the observed scatter about the MS within each observed redshift bin. After accounting for observed scatter between different SFR indicators, we find the width of the MS distribution is ∼0.2 dex and remains constant over cosmic time. Our best fits indicate the slope of the MS is likely time-dependent, with our best-fit log SFR(M*, t) = (0.84 ± 0.02 − 0.026 ± 0.003 × t)log M* − (6.51 ± 0.24 − 0.11 ± 0.03 × t), where t is the age of the universe in Gyr. We use our fits to create empirical evolutionary tracks in order to constrain MS galaxy star formation histories (SFHs), finding that (1) the most accurate representations of MS SFHs are given by delayed-τ models, (2) the decline in fractional stellar mass growth for a "typical" MS galaxy today is approximately linear for most of its lifetime, and (3) scatter about the MS can be generated by galaxies evolving along identical evolutionary tracks assuming an initial 1σ spread in formation times of ∼1.4 Gyr.

We measure the stellar mass function (SMF) and stellar mass density of galaxies in the COSMOS field up to z ~ 6. We select them in the near-IR bands of the COSMOS2015 catalogue, which includes ultra-deep photometry from UltraVISTA-DR2, SPLASH, and Subaru/Hyper Suprime-Cam. At z > 2.5 we use new precise photometric redshifts with error σ z = 0.03(1 + z ) and an outlier fraction of 12%, estimated by means of the unique spectroscopic sample of COSMOS (~100 000 spectroscopic measurements in total, more than one thousand having robust z spec > 2.5). The increased exposure time in the DR2, along with our panchromatic detection strategy, allow us to improve the completeness at high z with respect to previous UltraVISTA catalogues (e.g. our sample is >75% complete at 10 10 ℳ ⊙ and z = 5). We also identify passive galaxies through a robust colour–colour selection, extending their SMF estimate up to z = 4. Our work provides a comprehensive view of galaxy-stellar-mass assembly between z = 0.1 and 6, for the first time using consistent estimates across the entire redshift range. We fit these measurements with a Schechter function, correcting for Eddington bias. We compare the SMF fit with the halo mass function predicted from ΛCDM simulations, finding that at z > 3 both functions decline with a similar slope in thehigh-mass end. This feature could be explained assuming that mechanisms quenching star formation in massive haloes become less effective at high redshifts; however further work needs to be done to confirm this scenario. Concerning the SMF low-mass end, it shows a progressive steepening as it moves towards higher redshifts, with α decreasing from -1.47 +0.02 -0.02 at z ≃ 0.1 to -2.11 +0.30 -0.13 at z ≃ 5. This slope depends on the characterisation of the observational uncertainties, which is crucial to properly remove the Eddington bias. We show that there is currently no consensus on the method to quantify such errors: different error models result in different best-fit Schechter parameters.

Abstract The Cosmic Evolution Survey (COSMOS) has become a cornerstone of extragalactic astronomy. Since the last public catalog in 2015, a wealth of new imaging and spectroscopic data have been collected in the COSMOS field. This paper describes the collection, processing, and analysis of these new imaging data to produce a new reference photometric redshift catalog. Source detection and multiwavelength photometry are performed for 1.7 million sources across the 2 deg 2 of the COSMOS field, ∼966,000 of which are measured with all available broadband data using both traditional aperture photometric methods and a new profile-fitting photometric extraction tool, The Farmer , which we have developed. A detailed comparison of the two resulting photometric catalogs is presented. Photometric redshifts are computed for all sources in each catalog utilizing two independent photometric redshift codes. Finally, a comparison is made between the performance of the photometric methodologies and of the redshift codes to demonstrate an exceptional degree of self-consistency in the resulting photometric redshifts. The i < 21 sources have subpercent photometric redshift accuracy and even the faintest sources at 25 < i < 27 reach a precision of 5%. Finally, these results are discussed in the context of previous, current, and future surveys in the COSMOS field. Compared to COSMOS2015, it reaches the same photometric redshift precision at almost one magnitude deeper. Both photometric catalogs and their photometric redshift solutions and physical parameters will be made available through the usual astronomical archive systems (ESO Phase 3, IPAC-IRSA, and CDS).

ABSTRACT The distribution of mass in galaxy-scale strong gravitational lenses is often modelled as an elliptical power-law plus ‘external shear’, which notionally accounts for neighbouring galaxies and cosmic shear along our line of sight. A small amount of external shear could come from these sources, but we show that the vast majority does not. Except in a handful of rare systems, the best-fitting values do not correlate with independent measurements of line-of-sight shear: from weak lensing in 45 Hubble Space Telescope images, or in 50 mock images of lenses with complex distributions of mass. Instead, the best-fit external shear is aligned with the major or minor axis of 88 per cent of lens galaxies; and the amplitude of the external shear increases if that galaxy is discy. We conclude that ‘external shear’ attached to a power-law model is not physically meaningful, but a fudge to compensate for lack of model complexity. Since it biases other model parameters that are interpreted as physically meaningful in several science analyses (e.g. measuring galaxy evolution, dark matter physics or cosmological parameters), we recommend that future studies of galaxy-scale strong lensing should employ more flexible mass models.

Abstract Recent studies have reported tension between the presence of luminous, high-redshift galaxies and the halo mass functions predicted by standard cosmology. Here, an improved test is proposed using the presence of high-redshift Balmer breaks to probe the formation of early 10 4 –10 5 M ⊙ baryonic minihalos. Unlike previous tests, this does not depend upon the mass-to-light ratio and has only a slight dependence upon the metallicity, stellar initial mass function, and star formation history, which are all weakly constrained at high redshift. We show that the strongest Balmer breaks allowed at z = 9 using the simplest ΛCDM cosmological model would allow a D 4000 as high as 1.26 under idealized circumstances and D 4000 ≤ 1.14 including realistic feedback models. Since current photometric template fitting to JWST sources infers the existence of stronger Balmer breaks out to z ≳ 11, upcoming spectroscopic follow-up will either demonstrate those templates are invalid at high redshift or imply new physics beyond “vanilla” ΛCDM.

Abstract Mass estimates of black holes (BHs) in the centers of active galactic nuclei (AGNs) often rely on the radius–luminosity relation. However, this relation, usually probed by reverberation mapping (RM), is poorly constrained in the high-luminosity and high-redshift ends due to the very long expected RM lag times. Multiply imaged AGNs may offer a unique opportunity to explore the radius–luminosity relation at these ends. In addition to comprising several magnified images enabling a more efficient light-curve sampling, the time delay between multiple images of strongly lensed quasars can also aid in making such RM measurements feasible on reasonable timescales: if the strong-lensing time delay is, for example, of the order of the expected RM time lag, changes in the emission lines in the leading image can be observed around the same time as the changes in the continuum in the trailing image. In this work we probe the typical time-delay distribution in galaxy-cluster lenses and estimate the number of both high-mass (∼10 9 −10 10 M ⊙ ) and high-redshift ( z ≳ 4−12) quasars that are expected to be strongly lensed by clusters. We find that up to several tens of thousands of M BH ∼ 10 6 –10 8 M ⊙ broad-line AGNs at z > 4 should be multiply imaged by galaxy clusters and detectable with JWST, hundreds with Euclid, and several thousand with the Roman Space Telescope, across the whole sky. These could supply an important calibration for the BH mass scaling in the early Universe.