LOFAR, the LOw-Frequency ARray, is a new-generation radio interferometer constructed in the north of the Netherlands and across europe. Utilizing a novel phased-array design, LOFAR covers the largely unexplored low-frequency range from 10-240 MHz and provides a number of unique observing capabilities. Spreading out from a core located near the village of Exloo in the northeast of the Netherlands, a total of 40 LOFAR stations are nearing completion. A further five stations have been deployed throughout Germany, and one station has been built in each of France, Sweden, and the UK. Digital beam-forming techniques make the LOFAR system agile and allow for rapid repointing of the telescope as well as the potential for multiple simultaneous observations. With its dense core array and long interferometric baselines, LOFAR achieves unparalleled sensitivity and angular resolution in the low-frequency radio regime. The LOFAR facilities are jointly operated by the International LOFAR Telescope (ILT) foundation, as an observatory open to the global astronomical community. LOFAR is one of the first radio observatories to feature automated processing pipelines to deliver fully calibrated science products to its user community. LOFAR's new capabilities, techniques and modus operandi make it an important pathfinder for the Square Kilometre Array (SKA). We give an overview of the LOFAR instrument, its major hardware and software components, and the core science objectives that have driven its design. In addition, we present a selection of new results from the commissioning phase of this new radio observatory.

The LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS) is a deep 120-168 MHz imaging survey that will eventually cover the entire Northern sky. Each of the 3170 pointings will be observed for 8 hrs, which, at most declinations, is sufficient to produce ~5arcsec resolution images with a sensitivity of ~0.1mJy/beam and accomplish the main scientific aims of the survey which are to explore the formation and evolution of massive black holes, galaxies, clusters of galaxies and large-scale structure. Due to the compact core and long baselines of LOFAR, the images provide excellent sensitivity to both highly extended and compact emission. For legacy value, the data are archived at high spectral and time resolution to facilitate subarcsecond imaging and spectral line studies. In this paper we provide an overview of the LoTSS. We outline the survey strategy, the observational status, the current calibration techniques, a preliminary data release, and the anticipated scientific impact. The preliminary images that we have released were created using a fully-automated but direction-independent calibration strategy and are significantly more sensitive than those produced by any existing large-area low-frequency survey. In excess of 44,000 sources are detected in the images that have a resolution of 25arcsec, typical noise levels of less than 0.5 mJy/beam, and cover an area of over 350 square degrees in the region of the HETDEX Spring Field (right ascension 10h45m00s to 15h30m00s and declination 45d00m00s to 57d00m00s).

The LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS) is an ongoing sensitive, high-resolution 120-168MHz survey of the entire northern sky for which observations are now 20% complete. We present our first full-quality public data release. For this data release 424 square degrees, or 2% of the eventual coverage, in the region of the HETDEX Spring Field (right ascension 10h45m00s to 15h30m00s and declination 45$^\circ$00$'$00$''$ to 57$^\circ$00$'$00$''$) were mapped using a fully automated direction-dependent calibration and imaging pipeline that we developed. A total of 325,694 sources are detected with a signal of at least five times the noise, and the source density is a factor of $\sim 10$ higher than the most sensitive existing very wide-area radio-continuum surveys. The median sensitivity is S$_{\rm 144 MHz} = 71\,\mu$Jy beam$^{-1}$ and the point-source completeness is 90% at an integrated flux density of 0.45mJy. The resolution of the images is 6$''$ and the positional accuracy is within 0.2$''$. This data release consists of a catalogue containing location, flux, and shape estimates together with 58 mosaic images that cover the catalogued area. In this paper we provide an overview of the data release with a focus on the processing of the LOFAR data and the characteristics of the resulting images. In two accompanying papers we provide the radio source associations and deblending and, where possible, the optical identifications of the radio sources together with the photometric redshifts and properties of the host galaxies. These data release papers are published together with a further $\sim$20 articles that highlight the scientific potential of LoTSS.

Galaxy clusters form through a sequence of mergers of smaller galaxy clusters and groups. Models of diffusive shock acceleration (DSA) suggest that in shocks that occur during cluster mergers, particles are accelerated to relativistic energies, similar to supernova remnants. Together with magnetic fields these particles emit synchrotron radiation and may form so-called radio relics. Here we report the detection of a radio relic for which we find highly aligned magnetic fields, a strong spectral index gradient, and a narrow relic width, giving a measure of the magnetic field in an unexplored site of the universe. Our observations prove that DSA also operates on scales much larger than in supernova remnants and that shocks in galaxy clusters are capable of producing extremely energetic cosmic rays.

In this data release from the LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS) we present 120-168MHz images covering 27% of the northern sky. Our coverage is split into two regions centred at approximately 12h45m +44$^\circ$30' and 1h00m +28$^\circ$00' and spanning 4178 and 1457 square degrees respectively. The images were derived from 3,451hrs (7.6PB) of LOFAR High Band Antenna data which were corrected for the direction-independent instrumental properties as well as direction-dependent ionospheric distortions during extensive, but fully automated, data processing. A catalogue of 4,396,228 radio sources is derived from our total intensity (Stokes I) maps, where the majority of these have never been detected at radio wavelengths before. At 6" resolution, our full bandwidth Stokes I continuum maps with a central frequency of 144MHz have: a median rms sensitivity of 83$\mu$Jy/beam; a flux density scale accuracy of approximately 10%; an astrometric accuracy of 0.2"; and we estimate the point-source completeness to be 90% at a peak brightness of 0.8mJy/beam. By creating three 16MHz bandwidth images across the band we are able to measure the in-band spectral index of many sources, albeit with an error on the derived spectral index of +/-0.2 which is a consequence of our flux-density scale accuracy and small fractional bandwidth. Our circular polarisation (Stokes V) 20" resolution 120-168MHz continuum images have a median rms sensitivity of 95$\mu$Jy/beam, and we estimate a Stokes I to Stokes V leakage of 0.056%. Our linear polarisation (Stokes Q and Stokes U) image cubes consist of 480 x 97.6 kHz wide planes and have a median rms sensitivity per plane of 10.8mJy/beam at 4' and 2.2mJy/beam at 20"; we estimate the Stokes I to Stokes Q/U leakage to be approximately 0.2%. Here we characterise and publicly release our Stokes I, Q, U and V images in addition to the calibrated uv-data.

ABSTRACT We present the serendipitous discovery of (1) a large double radio relic associated with the galaxy cluster PSZ2 G277.93 + 12.34 and (2) a new odd radio circle, ORC J1027–4422, both found in the same deep MeerKAT 1.3 GHz wide-band radio continuum image. The angular separation of the two arc-shaped cluster relics is ∼16 arcmin or ∼2.6 Mpc for a cluster redshift of z ≈ 0.158. The thin southern relic, which shows several ridges/shocks including one possibly moving inwards, has a linear extent of ∼1.64 Mpc. In contrast, the northern relic is about twice as wide, twice as bright, but only has a largest linear size of ∼0.66 Mpc. Complementary SRG/eROSITA X-ray images reveal extended emission from hot intracluster gas between the two relics and around the narrow-angle tail (NAT) radio galaxy PMN J1033–4335 (z ≈ 0.153) located just east of the northern relic. The radio morphologies of the NAT galaxy and the northern relic, which are also detected with the Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) at 888 MHz, suggest both are moving in the same outward direction. The discovery of ORC J1027–4422 in a different part of the same MeerKAT image makes it the fourth known single ORC. It has a diameter of ∼90 arcsec corresponding to 400 kpc at a tentative redshift of z ≈ 0.3 and remains undetected in X-ray emission. Supported by simulations, we discuss similarities between outward moving galaxy and cluster merger shocks as the formation mechanisms for ORCs and radio relics, respectively.