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.

The Cosmic Gems arc is among the brightest and highly magnified galaxies observed at redshift z ∼ 10.21. However, it is an intrinsically UV faint galaxy, in the range of those now thought to drive the reionization of the universe2–4. Hitherto the smallest features resolved in a galaxy at a comparable redshift are between a few hundreds and a few tens of parsecs5,6. Here we report JWST observations of the Cosmic Gems. The light of the galaxy is resolved into five star clusters located in a region smaller than 70 parsec. They exhibit minimal dust attenuation and low metallicity, ages younger than 50 Myr and intrinsic masses of ∼ 106 M⊙. Their lensing-corrected sizes are approximately 1 pc, resulting in stellar surface densities near 105 M⊙ /pc2, three orders of magnitude higher than typical young star clusters in the local universe7. Despite the uncertainties inherent to the lensing model, they are consistent with being gravitationally bound stellar systems, i.e., proto-globular clusters (proto-GCs). We conclude that star cluster formation and feedback likely contributed to 3 shape the properties of galaxies during the epoch of reionization.

Abstract We present a statistical study of 180 dust continuum sources identified in 33 massive cluster fields by the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array Lensing Cluster Survey (ALCS) over a total of 133 arcmin 2 area, homogeneously observed at 1.2 mm. ALCS enables us to detect extremely faint millimeter sources by lensing magnification, including near-infrared (NIR) dark objects showing no counterparts in existing Hubble Space Telescope and Spitzer images. The dust continuum sources belong to a blind sample ( N = 141) with signal-to-noise ratio (S/N) ≳ 5.0 (a purity of >0.99) or a secondary sample ( N = 39) with S/N = 4.0–5.0 screened by priors. With the blind sample, we securely derive 1.2 mm number counts down to ∼7 μ Jy, and find that the total integrated 1.2 mm flux is 20.7 − 6.5 + 8.5 Jy deg −2 , resolving ≃80% of the cosmic infrared background light. The resolved fraction varies by a factor of 0.6–1.1 due to the completeness correction depending on the spatial size of the millimeter emission. We also derive infrared (IR) luminosity functions (LFs) at z = 0.6–7.5 with the 1 / V max method, finding the redshift evolution of IR LFs characterized by positive luminosity and negative density evolution. The total (= UV + IR) cosmic star formation rate density (SFRD) at z > 4 is estimated to be 161 − 21 + 25 % of the Madau and Dickinson measurements mostly based on rest-frame UV surveys. Although our general understanding of the cosmic SFRD is unlikely to change beyond a factor of 2, these results add to the weight of evidence for an additional (≈60%) SFRD component contributed by the faint millimeter population, including NIR-dark objects.

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 > 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 > 4.25 and S/N > 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 > 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.

Abstract MACS J0600.1-2008 (MACS0600) is an X-ray luminous, massive galaxy cluster at zd = 0.43, studied previously by the REionization LensIng Cluster Survey (RELICS) and ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS) projects which revealed a complex, bimodal mass distribution and an intriguing high-redshift object behind it. Here, we report on the results of a combined analysis of the extended strong lensing (SL), X-ray, Sunyaev–Zeldovich (SZ), and galaxy luminosity-density properties of this system. Using new JWST and ground-based Gemini-N and Keck data, we obtain 13 new spectroscopic redshifts of multiply imaged galaxies and identify 12 new photometric multiple-image systems and candidates, including two multiply imaged z ∼ 7 objects. Taking advantage of the larger areal coverage, our analysis reveals an additional bimodal, massive SL structure which we measure spectroscopically to lie adjacent to the cluster and whose existence was implied by previous SL-modeling analyses. While based in part on photometric systems identified in ground-based imaging requiring further verification, our extended SL model suggests that the cluster may have the second-largest critical area and effective Einstein radius observed to date, Acrit ≃ 2.16 arcmin2 and θE = 49.7″ ± 5.0″ for a source at zs = 2, enclosing a total mass of M( < θE) = (4.7 ± 0.7) × 1014 M⊙. These results are also supported by the galaxy luminosity distribution, the SZ and X-ray data. Yet another, probably related massive cluster structure, discovered in X-rays 5′ (1.7 Mpc) further north, suggests that MACS0600 is part of an even larger filamentary structure. This discovery adds to several recent detections of massive structures around SL galaxy clusters and establishes MACS0600 as a prime target for future high-redshift surveys with JWST.

In the cold dark matter (CDM) paradigm, an association between the hypothetic dark matter (DM) and its stellar counterpart is expected. However, parametric strong-lensing studies of galaxy clusters often display misleading features: DM components on the group or cluster scale without any stellar counterpart, offsets between the two components that are larger than what might be allowed by CDM or self-interacting DM models, or significant unexplained external shear components. This is the case in the galaxy cluster Abell 370, whose mass distribution has been the subject of several studies that were motivated by a wealth of data. The cluster was described parametrically with strong-lensing techniques by a model with four dark matter clumps and galaxy-scale perturbers, and with a significant external shear component, whose physical origin remains a challenge. The dark matter distribution features a mass clump without a stellar counterpart and a significant offset between one of the dark matter clumps and its associated stellar counterpart. This paper is based on BUFFALO data, and we begin by revisiting this mass model. Sampling this complex parameter space with Markov chain Monte Carlo (MCMC) techniques, we find a solution that does not require any external shear and provides a slightly better root mean square (RMS) than previous models (0.7″ compared to 0.9″). Investigating this new solution further, in particular, by varying the parameters that lead the MCMC sampler, we present a class of models that can accurately reproduce the strong-lensing data, but whose parameters for the dark matter component are poorly constrained. This limits any insights into its properties. We then developed a model in which each large-scale dark matter component must be associated with a stellar counterpart. This model with three dark matter clumps cannot reproduce the observational constraints with an RMS smaller than 2.3″, and the parameters describing this dark matter component remain poorly constrained. Examining the total projected mass maps, we find a good agreement between the total mass and the stellar distribution, which are both bimodal to first order. We interpret the misleading features of the mass model with four dark matter clumps and the failure of the mass model with three dark matter clumps as being symptomatic of the lacking realism of a parametric description of the dark matter distribution in such a complex merging cluster. We encourage caution and attention on the outputs of parametric strong-lensing modelling. We briefly discuss the implications of our results for using Abell 370 as a gravitational telescope. With the class of models that reproduce the strong- lensing data, we computed the magnifications for background Ly α emitters, and we present the critical curves obtained for the redshift of the Dragon arc, whose recent observations with the James Webb Space Telescope prompted interest. Finally, in light of our results, we discuss the strategy of choosing merging (multi-modal) clusters as gravitational telescopes compared to simple (unimodal) clusters.