We present an analysis of the deepest Herschel images in four major extragalactic fields GOODS-North, GOODS-South, UDS and COSMOS obtained within the GOODS-Herschel and CANDELS-Herschel key programs. The picture provided by 10497 individual far-infrared detections is supplemented by the stacking analysis of a mass-complete sample of 62361 star-forming galaxies from the CANDELS-HST H band-selected catalogs and from two deep ground-based Ks band-selected catalogs in the GOODS-North and the COSMOS-wide fields, in order to obtain one of the most accurate and unbiased understanding to date of the stellar mass growth over the cosmic history. We show, for the first time, that stacking also provides a powerful tool to determine the dispersion of a physical correlation and describe our method called "scatter stacking" that may be easily generalized to other experiments. We demonstrate that galaxies of all masses from z=4 to 0 follow a universal scaling law, the so-called main sequence of star-forming galaxies. We find a universal close-to-linear slope of the logSFR-logM* relation with evidence for a flattening of the main sequence at high masses (log(M*/Msun) > 10.5) that becomes less prominent with increasing redshift and almost vanishes by z~2. This flattening may be due to the parallel stellar growth of quiescent bulges in star-forming galaxies. Within the main sequence, we measure a non varying SFR dispersion of 0.3 dex. The specific SFR (sSFR=SFR/M*) of star-forming galaxies is found to continuously increase from z=0 to 4. Finally we discuss the implications of our findings on the cosmic SFR history and show that more than 2/3 of present-day stars must have formed in a regime dominated by the main sequence mode. As a consequence we conclude that, although omnipresent in the distant Universe, galaxy mergers had little impact in shaping the global star formation history over the last 12.5 Gyr.

A two-parameter semi-empirical model is presented for the spectral energy distributions of galaxies with contributions to their infrared–submillimeter–radio emission from both star formation and accretion disk-powered activity. This model builds upon a previous one-parameter family of models for star-forming galaxies, and includes an update to the mid-infrared emission using an average template obtained from Spitzer Space Telescope observations of normal galaxies. Star-forming/active galactic nucleus (AGN) diagnostics based on polycyclic aromatic hydrocarbon equivalent widths and broadband infrared colors are presented, and example mid-infrared AGN fractional contributions are estimated from model fits to the Great Observatories All-Sky LIRG Survey sample of nearby U/LIRGS and the Five mJy Unbiased Spitzer Extragalactic Survey sample of 24 μm selected sources at redshifts 0 ≲ z ≲ 4.

Star-forming galaxies (SFGs) display a continuous distribution of specific star formation rates (sSFR) which can be approximated by the superposition of two log-normal distributions. The 1st of these encompasses the main sequence (MS) of SFGs, the 2nd one a rarer population of starbursts (SB). We show that the sSFR-distribution of SBs can be regarded as the result of a physical process (plausibly merging) taking the mathematical form of a log-normal boosting kernel and enhancing star formation activity. We explore the utility of splitting the star-forming population into MS and SB galaxies - an approach we term "2-Star Formation Mode" (2-SFM) framework - for understanding their molecular gas properties. Variations of star formation efficiency (SFE) and gas fractions among SFGs take a simple, redshift-independent form, once these quantities are normalized to the value of an average MS galaxy. The change in SFE for galaxies undergoing a starburst event scales supra-linearly with the SFR-increase, as expected for mergers. This implies a continuous distribution of galaxies in the Schmidt-Kennicutt plane that separates more clearly into loci for SBs and normal galaxies than observed in SFR vs. M* space. SBs with the largest deviations (>10-fold) from the MS, like many local ULIRGs, are not average SBs, but even rarer events with progenitors having larger gas fractions than typical MS galaxies. We statistically infer that the gas fractions of typical SBs decrease by a factor of 2 to 3 with respect to their direct MS progenitors, as expected to occur in short-term SFR-boosts during which internal gas reservoirs are drained more quickly than gas is accreted from the cosmic web. We predict variations of the CO-to-H2 conversion factor in the SFR-M* plane and provide evidence that the higher sSFR of distant galaxies is a direct consequence of larger gas fraction in these systems.

We present results from the deepest Herschel-PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) far-infrared blank field extragalactic survey, obtained by combining observations of the GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey) fields from the PACS Evolutionary Probe (PEP) and GOODS-Herschel key programmes. We describe data reduction and the construction of images and catalogues. In the deepest parts of the GOODS-S field, the catalogues reach 3-sigma depths of 0.9, 0.6 and 1.3 mJy at 70, 100 and 160 um, respectively, and resolve ~75% of the cosmic infrared background at 100um and 160um into individually detected sources. We use these data to estimate the PACS confusion noise, to derive the PACS number counts down to unprecedented depths and to determine the infrared luminosity function of galaxies down to LIR=10^11 Lsun at z~1 and LIR=10^12 Lsun at z~2, respectively. For the infrared luminosity function of galaxies, our deep Herschel far-infrared observations are fundamental because they provide more accurate infrared luminosity estimates than those previously obtained from mid-infrared observations. Maps and source catalogues (>3-sigma) are now publicly released. Combined with the large wealth of multi-wavelength data available for the GOODS fields, these data provide a powerful new tool for studying galaxy evolution over a broad range of redshifts.

We aim to measure the average dust and molecular gas content of massive star-forming galaxies ($\rm > 3 \times 10^{10}\,M_\odot$) up to z=4 in the COSMOS field to determine if the intense star formation observed at high redshift is induced by major mergers or caused by large gas reservoirs. Firstly, we measured the evolution of the average spectral energy distributions as a function of redshift using a stacking analysis of Spitzer, Herschel, LABOCA, and AzTEC data for two samples of galaxies: normal star-forming objects and strong starbursts, as defined by their distance to the main sequence. We found that the mean intensity of the radiation field $< U >$ heating the dust (strongly correlated with dust temperature) increases with increasing redshift up to z$\sim$4 in main-sequence galaxies. We can reproduce this evolution with simple models that account for the decrease of the gas metallicity with redshift. No evolution of $< U >$ with redshift is found in strong starbursts. We then deduced the evolution of the molecular gas fraction (defined here as $\rm M_{\rm mol}/(M_{\rm mol}+M_\star)$) with redshift and found a similar, steeply increasing trend for both samples. At z$\sim$4, this fraction reaches $\sim$60%. The average position of the main-sequence galaxies is on the locus of the local, normal star-forming disks in the integrated Schmidt-Kennicutt diagram (star formation rate versus mass of molecular gas), suggesting that the bulk of the star formation up to z=4 is dominated by secular processes.

Deep far-infrared photometric surveys studying galaxy evolution and the nature of the cosmic infrared background are a key strength of the Herschel mission. We describe the scientific motivation for the PACS Evolutionary Probe (PEP) guaranteed time key program and its role within the entire set of Herschel surveys, and the field selection that includes popular multiwavelength fields such as GOODS, COSMOS, Lockman Hole, ECDFS, and EGS. We provide an account of the observing strategies and data reduction methods used. An overview of first science results illustrates the potential of PEP in providing calorimetric star formation rates for high-redshift galaxy populations, thus testing and superseding previous extrapolations from other wavelengths, and enabling a wide range of galaxy evolution studies.