Abstract Hyper Suprime-Cam (HSC) is a wide-field imaging camera on the prime focus of the 8.2-m Subaru telescope on the summit of Mauna Kea in Hawaii. A team of scientists from Japan, Taiwan, and Princeton University is using HSC to carry out a 300-night multi-band imaging survey of the high-latitude sky. The survey includes three layers: the Wide layer will cover 1400 deg2 in five broad bands (grizy), with a 5 σ point-source depth of r ≈ 26. The Deep layer covers a total of 26 deg2 in four fields, going roughly a magnitude fainter, while the UltraDeep layer goes almost a magnitude fainter still in two pointings of HSC (a total of 3.5 deg2). Here we describe the instrument, the science goals of the survey, and the survey strategy and data processing. This paper serves as an introduction to a special issue of the Publications of the Astronomical Society of Japan, which includes a large number of technical and scientific papers describing results from the early phases of this survey.

Abstract This paper presents the second data release of the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, a wide-field optical imaging survey using the 8.2 m Subaru Telescope. The release includes data from 174 nights of observation through 2018 January. The Wide layer data cover about 300 deg$^2$ in all five broad-band filters ($grizy$) to the nominal survey exposure (10 min in $gr$ and 20 min in $izy$). Partially observed areas are also included in the release; about 1100 deg$^2$ is observed in at least one filter and one exposure. The median seeing in the i-band is ${0_{.}^{\prime \prime }6}$, demonstrating the superb image quality of the survey. The Deep (26 deg$^2$) and UltraDeep (4 deg$^2$) data are jointly processed and the UltraDeep-COSMOS field reaches an unprecedented depth of $i\sim 28$ at $5 \, \sigma$ for point sources. In addition to the broad-band data, narrow-band data are also available in the Deep and UltraDeep fields. This release includes a major update to the processing pipeline, including improved sky subtraction, PSF modeling, object detection, and artifact rejection. The overall data quality has been improved, but this release is not without problems; there is a persistent deblender problem as well as new issues with masks around bright stars. The user is encouraged to review the issue list before utilizing the data for scientific explorations. All the image products as well as catalog products are available for download. The catalogs are also loaded into a database, which provides an easy interface for users to retrieve data for objects of interest. In addition to these main data products, detailed galaxy shape measurements withheld from Public Data Release 1 (PDR1) are now available to the community. The shape catalog is drawn from the S16A internal release, which has a larger area than PDR1 (160 deg$^2$). All products are available at the data release site, https://hsc-release.mtk.nao.ac.jp/.

The Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program (HSC-SSP) is a three-layered imaging survey aimed at addressing some of the most outstanding questions in astronomy today, including the nature of dark matter and dark energy. The survey has been awarded 300 nights of observing time at the Subaru Telescope and it started in March 2014. This paper presents the first public data release of HSC-SSP. This release includes data taken in the first 1.7 years of observations (61.5 nights) and each of the Wide, Deep, and UltraDeep layers covers about 108, 26, and 4 square degrees down to depths of i~26.4, ~26.5, and ~27.0 mag, respectively (5sigma for point sources). All the layers are observed in five broad bands (grizy), and the Deep and UltraDeep layers are observed in narrow bands as well. We achieve an impressive image quality of 0.6 arcsec in the i-band in the Wide layer. We show that we achieve 1-2 per cent PSF photometry (rms) both internally and externally (against Pan-STARRS1), and ~10 mas and 40 mas internal and external astrometric accuracy, respectively. Both the calibrated images and catalogs are made available to the community through dedicated user interfaces and database servers. In addition to the pipeline products, we also provide value-added products such as photometric redshifts and a collection of public spectroscopic redshifts. Detailed descriptions of all the data can be found online. The data release website is https://hsc-release.mtk.nao.ac.jp/.

Abstract The evolution of the quasar luminosity function (QLF) is fundamental to understanding the cosmic evolution of black holes (BHs) through their accretion phases. In the era of the James Webb Space Telescope (JWST), Euclid, and Nancy Grace Roman Space Telescope, their unprecedented detection sensitivity and wide survey area can unveil the low-luminosity quasar and low-mass BH population, and provide new insights into quasar host galaxies. We present a theoretical model describing BH growth from initial seeding at z ≳ 20 to ∼ 4, incorporating the duration of accretion episodes, the distribution of Eddington ratios, and the mass dependency of BH accretion rates. By constraining the model parameters with the observed QLFs at 4 ≤ z ≤ 6 across a wide UV luminosity range, we find that the high-redshift BH population grows rapidly at z ≳ 6, and decelerates the pace in subsequent epochs. Toward lower redshifts ( z < 6), mass-dependent accretion inhibits the growth of high-mass BHs with M • > 10 8 M ⊙ , leading to mass saturation at M • ≳ 10 10 M ⊙ . We predict the BH mass function down to M • ∼ 10 6 M ⊙ for both unobscured and obscured quasar populations at 4 ≤ z ≤ 11, offering a benchmark for future observational tests. Our model accounts for the presence of both bright and faint quasars at z > 4, including those discovered by JWST. Furthermore, our findings suggest two distinct pathways for the early assembly of the BH–galaxy mass correlation: the population with a BH-to-stellar-mass ratio near the local value of M • / M ⋆ ≃ 5 × 10 −3 maintains proximity to the relation via moderate growth, while the population that begins to grow above the local relation becomes as overmassive as M • / M ⋆ ∼ 0.01–0.1 by z ∼ 6 via rapid mass accretion.

ABSTRACT We present rest-frame optical JWST Near-infrared Spectrograph (NIRSpec) integral field unit (IFU) spectroscopy of TN J1338−1942 at z = 4.1, one of the most luminous galaxies in the early universe with powerful extended radio jets. Previous observations showed evidence for strong, large-scale outflows based on its large (∼150 kpc) halo detected in Ly α, and high-velocity [O ii] emission features detected in ground-based spectroscopy. Our NIRSpec/IFU observations spatially resolve the emission line properties across the host galaxy. We find at least five concentrations of strong line emission, coinciding with discrete continuum features previously detected in imaging from Hubble Space Telescope and JWST, over an extent of ∼2 arcsec (∼15 kpc). The spectral diagnostics unambiguously trace active galactic nuclei (AGN) activity plus interaction between the interstellar medium and the radio jet as the dominant mechanisms for the ionization state and kinematics of the gas in the system. A secondary region of very high ionization lies at roughly 5 kpc away from the nucleus, and within the context of an expanding cocoon enveloping the radio lobe, this may be explained by strong shock-ionization of the entrained gas. However, it could also signal the presence of a second obscured AGN, which may offer an explanation for an intriguing outflow feature seen perpendicular to the radio axis. The presence of a dual supermassive black holes system in this galaxy would support that large galaxies in the early Universe quickly accumulated their mass through the merging of smaller units, at the centres of large overdensities. The inferred black hole mass to stellar mass ratio of 0.01−0.1 for TNJ1338 points to a more rapid assembly of black holes compared to the stellar mass of galaxies at high redshifts, consistent with other recent observations.

Abstract We report observations of a powerful ionized gas outflow in the z = 4.1 luminous radio galaxy TNJ1338-1942 hosting an obscured quasar using the Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) on board JWST. We spatially resolve a large-scale (∼15 kpc) outflow and measure outflow rates. The outflowing gas shows velocities exceeding 900 km s −1 and broad line profiles with widths exceeding 1200 km s −1 located at an ∼10 kpc projected distance from the central nucleus. The outflowing nebula spatially overlaps with the brightest radio lobe, indicating that the powerful radio jets are responsible for the outflow kinematics. The gas is possibly ionized by the obscured quasar with a contribution from shocks induced by the jets. The mass outflow rate map shows that the region with the broadest line profiles exhibits the strongest outflow rates. The total mass outflow rate is ∼500 M ⊙ yr −1 , and the mass loading factor is ∼1, indicating that a significant part of the gas is displaced outwards by the outflow. Our hypothesis is that the overpressured shocked jet fluid expands laterally to create an expanding ellipsoidal “cocoon” that causes the surrounding gas to accelerate outwards. The total kinetic energy injected by the radio jet is about 3 orders of magnitude larger than the energy in the outflowing ionized gas. This implies that kinetic energy must be transferred inefficiently from the jets to the gas. The bulk of the deposited energy possibly lies in the form of hot X-ray-emitting gas.

Abstract The current paradigm for the co-evolution of galaxies and their supermassive black holes postulates that dust-obscured active galactic nuclei (AGNs) represent a transitional phase towards a more luminous and unobscured state. However, our understanding of dusty AGNs and their host galaxies at early cosmic times is inadequate due to observational limitations. Here, we present JWST observations of CID-931, an X-ray-detected AGN at a spectroscopic redshift of $z_{\rm spec}=4.91$. Multiband NIRCam imaging from the COSMOS-Web program reveals an unresolved red core, similar to JWST-discovered dusty AGNs. Strikingly, the red core is surrounded by at least eight massive star-forming clumps spread over ${1{^{\prime \prime}_{.}}6} \approx 10\,\,{\rm kpc}$, each of which has a stellar mass of $10^9$–$10^{10}\, M_{\odot }$ and a radius of $\sim$0.1–1 kpc. The whole system amounts to $10^{11}\, M_{\odot }$ in stellar mass, higher than typical star-forming galaxies at the same epoch. In this system, gas inflows and/or complex merger events may trigger clump formation and AGN activity, thus leading to the rapid formation of a massive galaxy hosting a supermassive black hole. Future follow-up observations will provide new insights into the evolution of the galaxy–black hole relationship during such transitional phases in the early universe.

Abstract The Fe ii /Mg ii emission line flux ratio in quasar spectra serves as a proxy for the relative Fe to α -element abundances in the broad-line regions of quasars. Due to the expected different enrichment timescales of the two elements, they can be used as a cosmic clock in the early Universe. We present a study of the Fe ii /Mg ii ratios in a sample of luminous quasars exploiting high-quality near-IR spectra taken primarily by the XQR-30 program with VLT XSHOOTER. These quasars have a median bolometric luminosity of log( L bol [erg s −1 ]) ∼ 47.3 and cover a redshift range of z = 6.0–6.6. The median value of the measured Fe ii /Mg ii ratios is ∼7.9 with a normalized median absolute deviation of ∼2.2. In order to trace the cosmic evolution of Fe ii /Mg ii in an unbiased manner, we select two comparison samples of quasars with similar luminosities and high-quality spectra from the literature, one at intermediate redshifts ( z = 3.5–4.8) and the other at low redshifts ( z = 1.0–2.0). We perform the same spectral analysis for all these quasars, including the usage of the same iron template, the same spectral fitting method, and the same wavelength fitting windows. We find no significant redshift evolution in the Fe ii /Mg ii ratio over the wide redshift range from z = 1 to 6.6. The result is consistent with previous studies and supports the scenario of a rapid iron enrichment in the vicinity of accreting supermassive black holes at high redshift.