The Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) is designed to document the first third of galactic evolution, over the approximate redshift (z) range 8--1.5. It will image >250,000 distant galaxies using three separate cameras on the Hubble Space Telescope, from the mid-ultraviolet to the near-infrared, and will find and measure Type Ia supernovae at z>1.5 to test their accuracy as standardizable candles for cosmology. Five premier multi-wavelength sky regions are selected, each with extensive ancillary data. The use of five widely separated fields mitigates cosmic variance and yields statistically robust and complete samples of galaxies down to a stellar mass of 10^9 M_\odot to z \approx 2, reaching the knee of the ultraviolet luminosity function (UVLF) of galaxies to z \approx 8. The survey covers approximately 800 arcmin^2 and is divided into two parts. The CANDELS/Deep survey (5\sigma\ point-source limit H=27.7 mag) covers \sim 125 arcmin^2 within GOODS-N and GOODS-S. The CANDELS/Wide survey includes GOODS and three additional fields (EGS, COSMOS, and UDS) and covers the full area to a 5\sigma\ point-source limit of H \gtrsim 27.0 mag. Together with the Hubble Ultra Deep Fields, the strategy creates a three-tiered "wedding cake" approach that has proven efficient for extragalactic surveys. Data from the survey are nonproprietary and are useful for a wide variety of science investigations. In this paper, we describe the basic motivations for the survey, the CANDELS team science goals and the resulting observational requirements, the field selection and geometry, and the observing design. The Hubble data processing and products are described in a companion paper.

This paper describes the Hubble Space Telescope imaging data products and data reduction procedures for the Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS). This survey is designed to document the evolution of galaxies and black holes at $z\sim1.5-8$, and to study Type Ia SNe beyond $z>1.5$. Five premier multi-wavelength sky regions are selected, each with extensive multiwavelength observations. The primary CANDELS data consist of imaging obtained in the Wide Field Camera 3 / infrared channel (WFC3/IR) and UVIS channel, along with the Advanced Camera for Surveys (ACS). The CANDELS/Deep survey covers \sim125 square arcminutes within GOODS-N and GOODS-S, while the remainder consists of the CANDELS/Wide survey, achieving a total of \sim800 square arcminutes across GOODS and three additional fields (EGS, COSMOS, and UDS). We summarize the observational aspects of the survey as motivated by the scientific goals and present a detailed description of the data reduction procedures and products from the survey. Our data reduction methods utilize the most up to date calibration files and image combination procedures. We have paid special attention to correcting a range of instrumental effects, including CTE degradation for ACS, removal of electronic bias-striping present in ACS data after SM4, and persistence effects and other artifacts in WFC3/IR. For each field, we release mosaics for individual epochs and eventual mosaics containing data from all epochs combined, to facilitate photometric variability studies and the deepest possible photometry. A more detailed overview of the science goals and observational design of the survey are presented in a companion paper.

The Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) is a 524-orbit Multi-Cycle Treasury Program to use the gravitational lensing properties of 25 galaxy clusters to accurately constrain their mass distributions. The survey, described in detail in this paper, will definitively establish the degree of concentration of dark matter in the cluster cores, a key prediction of structure formation models. The CLASH cluster sample is larger and less biased than current samples of space-based imaging studies of clusters to similar depth, as we have minimized lensing-based selection that favors systems with overly dense cores. Specifically, 20 CLASH clusters are solely X-ray selected. The X-ray-selected clusters are massive (kT > 5 keV) and, in most cases, dynamically relaxed. Five additional clusters are included for their lensing strength (θEin > 35'' at zs = 2) to optimize the likelihood of finding highly magnified high-z (z > 7) galaxies. A total of 16 broadband filters, spanning the near-UV to near-IR, are employed for each 20-orbit campaign on each cluster. These data are used to measure precise (σz ∼ 0.02(1 + z)) photometric redshifts for newly discovered arcs. Observations of each cluster are spread over eight epochs to enable a search for Type Ia supernovae at z > 1 to improve constraints on the time dependence of the dark energy equation of state and the evolution of supernovae. We present newly re-derived X-ray luminosities, temperatures, and Fe abundances for the CLASH clusters as well as a representative source list for MACS1149.6+2223 (z = 0.544).

We use cosmological simulations to study the effects of self-interacting dark matter (SIDM) on the density profiles and substructure counts of dark matter halos from the scales of spiral galaxies to galaxy clusters, focusing explicitly on models with cross sections over dark matter particle mass \sigma/m = 1 and 0.1 cm^2/g. Our simulations rely on a new SIDM N-body algorithm that is derived self-consistently from the Boltzmann equation and that reproduces analytic expectations in controlled numerical experiments. We find that well-resolved SIDM halos have constant-density cores, with significantly lower central densities than their CDM counterparts. In contrast, the subhalo content of SIDM halos is only modestly reduced compared to CDM, with the suppression greatest for large hosts and small halo-centric distances. Moreover, the large-scale clustering and halo circular velocity functions in SIDM are effectively identical to CDM, meaning that all of the large-scale successes of CDM are equally well matched by SIDM. From our largest cross section runs we are able to extract scaling relations for core sizes and central densities over a range of halo sizes and find a strong correlation between the core radius of an SIDM halo and the NFW scale radius of its CDM counterpart. We construct a simple analytic model, based on CDM scaling relations, that captures all aspects of the scaling relations for SIDM halos. Our results show that halo core densities in \sigma/m = 1 cm^2/g models are too low to match observations of galaxy clusters, low surface brightness spirals (LSBs), and dwarf spheroidal galaxies. However, SIDM with \sigma/m ~ 0.1 cm^2/g appears capable of reproducing reported core sizes and central densities of dwarfs, LSBs, and galaxy clusters without the need for velocity dependence. (abridged)

We use stellar masses, surface photometry, strong-lensing masses, and stellar velocity dispersions (σe/2) to investigate empirical correlations for the definitive sample of 73 early-type galaxies (ETGs) that are strong gravitational lenses from the SLACS survey. The traditional correlations (fundamental plane (FP) and its projections) are consistent with those found for non-lens galaxies, supporting the thesis that SLACS lens galaxies are representative of massive ETGs (dimensional mass Mdim = 1011–1012 M☉). The addition of high-precision strong-lensing estimates of the total mass allows us to gain further insights into their internal structure: (1) the average slope of the total mass-density profile ( ) is 〈γ'〉 = 2.078 ± 0.027 with an intrinsic scatter of 0.16 ± 0.02; (2) γ' correlates with effective radius (re) and central mass density, in the sense that denser galaxies have steeper profiles; (3) the dark matter (DM) fraction within re/2 is a monotonically increasing function of galaxy mass and size (due to a mass-dependent central cold DM distribution or due to baryonic DM—stellar remnants or low-mass stars—if the initial mass function is non-universal and its normalization increases with mass); (4) the dimensional mass Mdim ≡ 5reσ2e/2/G is proportional to the total (lensing) mass M , and both increase more rapidly than stellar mass M* (M ); (5) the mass plane (MP), obtained by replacing surface brightness with surface mass density in the FP, is found to be tighter and closer to the virial relation than the FP and the M*P, indicating that the scatter of those relations is dominated by stellar population effects; (6) we construct the fundamental hyper-plane by adding stellar masses to the MP and find the M* coefficient to be consistent with zero and no residual intrinsic scatter. Our results demonstrate that the dynamical structure of ETGs is not scale invariant and that it is fully specified by M , re, and σe/2. Although the basic trends can be explained qualitatively in terms of varying star formation efficiency as a function of halo mass and as the result of dry and wet mergers, reproducing quantitatively the observed correlations and their tightness may be a significant challenge for galaxy formation models.

We present a weak gravitational lensing analysis of 22 early-type strong lens galaxies, based on deep HST images obtained as part of the Sloan Lens ACS Survey. Using the most advanced techniques to control systematic uncertainties related to the variable PSF and charge transfer efficiency of the ACS, we detect weak lensing signal out to 300 kpc/h. We analyze blank control fields from the COSMOS survey in the same manner, inferring that the residual systematic uncertainty in the tangential shear is <0.3%. A joint strong and weak lensing analysis shows that the average total mass density profile is consistent with isothermal over two decades in radius (3-300 kpc/h, approximately 1-100 Reff). This finding extends by over an order of magnitude in radius previous results, based on strong lensing and/or stellar dynamics, that luminous and dark component ``conspire'' to form an isothermal mass distribution. In order to disentangle the contributions of luminous and dark matter, we fit a two-component mass model (R^1/4 + NFW) to the weak and strong lensing constraints. It provides a good fit to the data with only two free parameters; i) the average stellar mass-to-light ratio M_*/L_V=4.48 +- 0.46 hMo/Lo, in agreement with that expected for an old stellar population; ii) the average virial mass-to-light ratio M_vir/L_V = 246+101-87 hMo/Lo. [abridged]

We report on a complete sample of seven luminous early-type galaxies in the Hubble Ultra Deep Field (UDF) with spectroscopic redshifts between 1.39 and 2.47, and to KAB < 23. Using the BzK selection criterion, we have preselected a set of objects over the UDF, which fulfill the photometric conditions for being passively evolving galaxies at z > 1.4. Low-resolution spectra of these objects have been extracted from the Hubble Space Telescope (HST) ACS grism data taken over the UDF by the Grism ACS Program for Extragalactic Science (GRAPES) project. Redshifts for the seven galaxies have been identified based on the UV feature at rest frame 2640 < λ < 2850 Å. This feature is mainly due to a combination of Fe II, Mg I, and Mg II absorptions, which are characteristic of stellar populations dominated by stars older than ~0.5 Gyr. The redshift identification and the passively evolving nature of these galaxies is further supported by the photometric redshifts and by the overall spectral energy distribution (SED), with the ultradeep HST ACS NICMOS imaging revealing compact morphologies typical of elliptical/early-type galaxies. From the SED we derive stellar masses of ≳1011 M☉ and ages of ~1 Gyr. Their space density at ⟨z⟩ = 1.7 appears to be roughly a factor of 2-3 smaller than that of their local counterparts, further supporting the notion that such massive and old galaxies are already ubiquitous at early cosmic times. Much smaller effective radii are derived for some of the objects, compared to local massive ellipticals, which may be due to morphological K-corrections, evolution, or the presence of a central pointlike source. Nuclear activity is indeed present in a subset of the galaxies, as revealed by the fact that they are hard X-ray sources, which suggests that active galactic nucleus (AGN) activity may have played a role in discontinuing star formation.

We present the definitive data for the full sample of 131 strong gravitational lens candidates observed with the Advanced Camera for Surveys (ACS) aboard the Hubble Space Telescope by the Sloan Lens ACS (SLACS) Survey. All targets were selected for higher redshift emission lines and lower redshift continuum in a single Sloan Digital Sky Survey (SDSS) spectrum. The foreground galaxies are primarily of early-type morphology, with redshifts from z≃ 0.05 to 0.5 and velocity dispersions from σ ≃ 160 to 400 km s−1; the faint background emission-line galaxies have redshifts ranging from z≃ 0.2 to 1.2. We confirm 70 systems showing clear evidence of multiple imaging of the background galaxy by the foreground galaxy, as well as an additional 19 systems with probable multiple imaging. For 63 clear lensing systems, we present singular isothermal ellipsoid and light-traces-mass gravitational lens models fitted to the ACS imaging data. These strong-lensing mass measurements are supplemented by magnitudes and effective radii measured from ACS surface brightness photometry and redshifts and velocity dispersions measured from SDSS spectroscopy. These data constitute a unique resource for the quantitative study of the interrelations between mass, light, and kinematics in massive early-type galaxies. We show that the SLACS lens sample is statistically consistent with being drawn at random from a parent sample of SDSS galaxies with comparable spectroscopic parameters and effective radii, suggesting that the results of SLACS analyses can be generalized to the massive early-type population.

Based on 58 SLACS strong-lens early-type galaxies (ETGs) with direct total-mass and stellar-velocity dispersion measurements, we find that inside one effective radius massive elliptical galaxies with Meff ≳ 3 × 1010 M☉ are well approximated by a power-law ellipsoid, with an average logarithmic density slope of 〈γ'LD〉 ≡ −dlog(ρtot)/dlog(r) = 2.085+0.025−0.018 (random error on mean) for isotropic orbits with βr = 0, ±0.1 (syst.) and intrinsic scatter (all errors indicate the 68% CL). We find no correlation of γ'LD with galaxy mass (Meff), rescaled radius (i.e., Reinst/Reff) or redshift, despite intrinsic differences in density-slope between galaxies. Based on scaling relations, the average logarithmic density slope can be derived in an alternative manner, fully independent from dynamics, yielding 〈γ'SR〉 = 1.959 ± 0.077. Agreement between the two values is reached for 〈βr〉 = 0.45 ± 0.25, consistent with mild radial anisotropy. This agreement supports the robustness of our results, despite the increase in mass-to-light ratio with total galaxy mass: Meff ∝ L1.363±0.056V,eff. We conclude that massive ETGs are structurally close to homologous with close to isothermal total density profiles (≲10% intrinsic scatter) and have at most some mild radial anisotropy. Our results provide new observational limits on galaxy formation and evolution scenarios, covering 4 Gyr look-back time.

We present a candidate for the most distant galaxy known to date with a photometric redshift of z = 10.7+0.6−0.4 (95% confidence limits; with z < 9.5 galaxies of known types ruled out at 7.2σ). This J-dropout Lyman break galaxy, named MACS0647-JD, was discovered as part of the Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble (CLASH). We observe three magnified images of this galaxy due to strong gravitational lensing by the galaxy cluster MACSJ0647.7+7015 at z = 0.591. The images are magnified by factors of ∼80, 7, and 2, with the brighter two observed at ∼26th magnitude AB (∼0.15 μJy) in the WFC3/IR F160W filter (∼1.4–1.7 μm) where they are detected at ≳12σ. All three images are also confidently detected at ≳6σ in F140W (∼1.2–1.6 μm), dropping out of detection from 15 lower wavelength Hubble Space Telescope filters (∼0.2–1.4 μm), and lacking bright detections in Spitzer/IRAC 3.6 μm and 4.5 μm imaging (∼3.2–5.0 μm). We rule out a broad range of possible lower redshift interlopers, including some previously published as high-redshift candidates. Our high-redshift conclusion is more conservative than if we had neglected a Bayesian photometric redshift prior. Given CLASH observations of 17 high-mass clusters to date, our discoveries of MACS0647-JD at z ∼ 10.8 and MACS1149-JD at z ∼ 9.6 are consistent with a lensed luminosity function extrapolated from lower redshifts. This would suggest that low-luminosity galaxies could have reionized the universe. However, given the significant uncertainties based on only two galaxies, we cannot yet rule out the sharp drop-off in number counts at z ≳ 10 suggested by field searches.