The Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) mission, launched on 2012 June 13, is the first focusing high-energy X-ray telescope in orbit. NuSTAR operates in the band from 3 to 79 keV, extending the sensitivity of focusing far beyond the ∼10 keV high-energy cutoff achieved by all previous X-ray satellites. The inherently low background associated with concentrating the X-ray light enables NuSTAR to probe the hard X-ray sky with a more than 100-fold improvement in sensitivity over the collimated or coded mask instruments that have operated in this bandpass. Using its unprecedented combination of sensitivity and spatial and spectral resolution, NuSTAR will pursue five primary scientific objectives: (1) probe obscured active galactic nucleus (AGN) activity out to the peak epoch of galaxy assembly in the universe (at z ≲ 2) by surveying selected regions of the sky; (2) study the population of hard X-ray-emitting compact objects in the Galaxy by mapping the central regions of the Milky Way; (3) study the non-thermal radiation in young supernova remnants, both the hard X-ray continuum and the emission from the radioactive element 44Ti; (4) observe blazars contemporaneously with ground-based radio, optical, and TeV telescopes, as well as with Fermi and Swift, to constrain the structure of AGN jets; and (5) observe line and continuum emission from core-collapse supernovae in the Local Group, and from nearby Type Ia events, to constrain explosion models. During its baseline two-year mission, NuSTAR will also undertake a broad program of targeted observations. The observatory consists of two co-aligned grazing-incidence X-ray telescopes pointed at celestial targets by a three-axis stabilized spacecraft. Deployed into a 600 km, near-circular, 6° inclination orbit, the observatory has now completed commissioning, and is performing consistent with pre-launch expectations. NuSTAR is now executing its primary science mission, and with an expected orbit lifetime of 10 yr, we anticipate proposing a guest investigator program, to begin in late 2014.

We present a first analysis of deep 24 μm observations with the Spitzer Space Telescope of a sample of nearly 1500 galaxies in a thin redshift slice, 0.65 ≤ z < 0.75. We combine the infrared data with redshifts, rest-frame luminosities, and colors from COMBO-17 and with morphologies from Hubble Space Telescope images collected by the Galaxy Evolution from Morphology and SEDs (GEMS) and Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS) projects. To characterize the decline in star formation rate (SFR) since z ~ 0.7, we estimate the total thermal IR luminosities, SFRs, and stellar masses for the galaxies in this sample. At z ~ 0.7, nearly 40% of intermediate- and high-mass galaxies (with stellar masses ≥2 × 1010 M☉) are undergoing a period of intense star formation above their past-averaged SFR. In contrast, less than 1% of equally massive galaxies in the local universe have similarly intense star formation activity. Morphologically undisturbed galaxies dominate the total infrared luminosity density and SFR density: at z ~ 0.7, more than half of the intensely star-forming galaxies have spiral morphologies, whereas less than ~30% are strongly interacting. Thus, a decline in major merger rate is not the underlying cause of the rapid decline in cosmic SFR since z ~ 0.7. Physical properties that do not strongly affect galaxy morphology—for example, gas consumption and weak interactions with small satellite galaxies—appear to be responsible.

We use a 24 μm-selected sample containing more than 8000 sources to study the evolution of star-forming galaxies in the redshift range from z = 0 to z ~ 3. We obtain photometric redshifts for most of the sources in our survey using a method based on empirically built templates spanning from ultraviolet to mid-infrared wavelengths. The accuracy of these redshifts is better than 10% for 80% of the sample. The derived redshift distribution of the sources detected by our survey peaks at around z = 0.6-1.0 (the location of the peak being affected by cosmic variance) and decays monotonically from z ~ 1 to z ~ 3. We have fitted infrared luminosity functions in several redshift bins in the range 0 < z ≲ 3. Our results constrain the density and/or luminosity evolution of infrared-bright star-forming galaxies. The typical infrared luminosity (L*) decreases by an order of magnitude from z ~ 2 to the present. The cosmic star formation rate (SFR) density goes as (1 + z)4.0±0.2 from z = 0 to 0.8. From z = 0.8 to z ~ 1.2, the SFR density continues rising with a smaller slope. At 1.2 < z ≲ 3, the cosmic SFR density remains roughly constant. The SFR density is dominated at low redshift (z ≲ 0.5) by galaxies that are not very luminous in the infrared (LTIR < 1011 L☉, where LTIR is the total infrared luminosity, integrated from 8 to 1000 μm). The contribution from luminous and ultraluminous infrared galaxies (LTIR > 1011 L☉) to the total SFR density increases steadily from z ~ 0 up to z ~ 2.5, forming at least half of the newly born stars by z ~ 1.5. Ultraluminous infrared galaxies (LTIR > 1012 L☉) play a rapidly increasing role for z ≳ 1.3.

Using a mid-infrared calibration of the Cepheid distance scale based on recent observations at 3.6 μm with the Spitzer Space Telescope, we have obtained a new, high-accuracy calibration of the Hubble constant. We have established the mid-IR zero point of the Leavitt law (the Cepheid period–luminosity relation) using time-averaged 3.6 μm data for 10 high-metallicity, Milky Way Cepheids having independently measured trigonometric parallaxes. We have adopted the slope of the PL relation using time-averaged 3.6 μm data for 80 long-period Large Magellanic Cloud (LMC) Cepheids falling in the period range 0.8 < log(P) < 1.8. We find a new reddening-corrected distance to the LMC of 18.477 ± 0.033 (systematic) mag. We re-examine the systematic uncertainties in H0, also taking into account new data over the past decade. In combination with the new Spitzer calibration, the systematic uncertainty in H0 over that obtained by the Hubble Space Telescope Key Project has decreased by over a factor of three. Applying the Spitzer calibration to the Key Project sample, we find a value of H0 = 74.3 with a systematic uncertainty of ±2.1 (systematic) km s−1 Mpc−1, corresponding to a 2.8% systematic uncertainty in the Hubble constant. This result, in combination with WMAP7 measurements of the cosmic microwave background anisotropies and assuming a flat universe, yields a value of the equation of state for dark energy, w0 = −1.09 ± 0.10. Alternatively, relaxing the constraints on flatness and the numbers of relativistic species, and combining our results with those of WMAP7, Type Ia supernovae and baryon acoustic oscillations yield w0 = −1.08 ± 0.10 and a value of Neff = 4.13 ± 0.67, mildly consistent with the existence of a fourth neutrino species.

We constrain the slope of the star formation rate (SFR; log Ψ) to stellar mass (log M⋆) relation down to log (M⋆/M☉) = 8.4 (log (M⋆/M☉) = 9.2) at z = 0.5 (z = 2.5) with a mass-complete sample of 39,106 star-forming galaxies selected from the 3D-HST photometric catalogs, using deep photometry in the CANDELS fields. For the first time, we find that the slope is dependent on stellar mass, such that it is steeper at low masses (log Ψ∝log M⋆) than at high masses (log Ψ∝(0.3–0.6)log M⋆). These steeper low-mass slopes are found for three different star formation indicators: the combination of the ultraviolet (UV) and infrared (IR), calibrated from a stacking analysis of Spitzer/MIPS 24 μm imaging; β-corrected UV SFRs; and Hα SFRs. The normalization of the sequence evolves differently in distinct mass regimes as well: for galaxies less massive than log (M⋆/M☉) < 10 the specific SFR (Ψ/M⋆) is observed to be roughly self-similar with Ψ/M⋆∝(1 + z)1.9, whereas more massive galaxies show a stronger evolution with Ψ/M⋆∝(1 + z)2.2–3.5 for log (M⋆/M☉) = 10.2–11.2. The fact that we find a steep slope of the star formation sequence for the lower mass galaxies will help reconcile theoretical galaxy formation models with the observations.

Abstract This paper characterizes the actual science performance of the James Webb Space Telescope (JWST), as determined from the six month commissioning period. We summarize the performance of the spacecraft, telescope, science instruments, and ground system, with an emphasis on differences from pre-launch expectations. Commissioning has made clear that JWST is fully capable of achieving the discoveries for which it was built. Moreover, almost across the board, the science performance of JWST is better than expected; in most cases, JWST will go deeper faster than expected. The telescope and instrument suite have demonstrated the sensitivity, stability, image quality, and spectral range that are necessary to transform our understanding of the cosmos through observations spanning from near-earth asteroids to the most distant galaxies.

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 JWST/NIRSpec prism spectroscopy of MACS0647−JD, a triply lensed z ∼ 11 candidate discovered in Hubble Space Telescope imaging and spatially resolved by JWST imaging into two components, A and B. Spectroscopy of component A yields a spectroscopic redshift z = 10.17 based on seven detected emission lines: C iii ] λ λ 1907, 1909, [O ii ] λ 3727, [Ne iii ] λ 3869, [Ne iii ] λ 3968, H δ λ 4101, H γ λ 4340, and [O iii ] λ 4363. These are the second-most distant detections of these emission lines to date, in a galaxy observed just 460 million years after the Big Bang. Based on observed and extrapolated line flux ratios we derive a gas-phase metallicity 12 + log(O/H) ∼ 7.5–8.0, or Z ∼ (0.06–0.2) Z ⊙ , ionization parameter log ( U ) = −1.9 ± 0.2, and an ionizing photon production efficiency log ( ξ ion ) = 25.2 ± 0.2  erg −1 Hz. The spectrum has a softened Ly α break, evidence for a strong Ly α damping wing. The Ly α damping wing also suppresses the F150W photometry, explaining the slightly overestimated photometric redshift z = 10.6 ± 0.3. MACS0647−JD has a stellar mass log( M / M ⊙ ) = 8.1 ± 0.3, including ∼6 × 10 7 M ⊙ in component A, most of which formed recently (within ∼20 Myr) with a star formation rate ∼ 2 ± 1 M ⊙ yr −1 , all within an effective radius 70 ± 24 pc. Spectroscopy of a fainter companion galaxy C separated by a distance of ∼ 3 kpc reveals a Lyman break consistent with z ∼ 10.17. MACS0647−JD is likely the most distant galaxy merger known.

We report the detection of a population of Wolf-Rayet (WR) stars in the Sunburst Arc, a strongly gravitationally lensed galaxy at redshift $z=2.37$. As the brightest known lensed galaxy, the Sunburst Arc has become an important cosmic laboratory for studying star and cluster formation, Lyman alpha (Lyalpha ) radiative transfer, and Lyman continuum (LyC) escape. Here, we present the first results of JWST/NIRSpec IFU observations of the Sunburst Arc, focusing on a stacked spectrum of the 12-fold imaged Sunburst LyC-emitting (LCE) cluster. In agreement with previous studies, we find that the Sunburst LCE cluster is a very massive, compact star cluster with $M_ dyn M_ odot $. Our age estimate of 4.2–4.5 Myr is much larger than the crossing time of $t_ cross 9 $ kyr, indicating that the cluster is dynamically evolved and consistent with it being gravitationally bound. We find a significant nitrogen enhancement of the low ionization state interstellar medium (ISM), with \( 0.09\), which is \( 0.8\) dex above typical values for H\ ii regions of a similar metallicity in the local Universe. We find broad stellar emission complexes around He\ ii 4686$ and C\ iv 5808$ with associated nitrogen emission; this is the first time WR signatures have been directly observed at redshifts above $ 0.5$. The strength of the WR signatures cannot be reproduced by stellar population models that only include single-star evolution. While models with binary evolution better match the WR features, they still struggle to reproduce the nitrogen-enhanced WR features. JWST reveals the Sunburst LCE cluster to be a highly ionized proto-globular cluster with low oxygen abundance and extreme nitrogen enhancement that hosts a population of WR stars, likely including a previously suggested population of very massive stars (VMSs), which together are rapidly enriching the surrounding medium.