The final product of galaxy evolution through cosmic time is the population of galaxies in the local universe. These galaxies are also those that can be studied in most detail, thus providing a stringent benchmark for our understanding of galaxy evolution. Through the huge success of spectroscopic single-fiber, statistical surveys of the Local Universe in the last decade, it has become clear, however, that an authoritative observational description of galaxies will involve measuring their spatially resolved properties over their full optical extent for a statistically significant sample. We present here the Calar Alto Legacy Integral Field Area (CALIFA) survey, which has been designed to provide a first step in this direction. We summarize the survey goals and design, including sample selection and observational strategy. We also showcase the data taken during the first observing runs (June/July 2010) and outline the reduction pipeline, quality control schemes and general characteristics of the reduced data.

We present an overview of a new integral field spectroscopic survey called MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory), one of three core programs in the fourth-generation Sloan Digital Sky Survey (SDSS-IV) that began on 2014 July 1. MaNGA will investigate the internal kinematic structure and composition of gas and stars in an unprecedented sample of 10,000 nearby galaxies. We summarize essential characteristics of the instrument and survey design in the context of MaNGA's key science goals and present prototype observations to demonstrate MaNGA's scientific potential. MaNGA employs dithered observations with 17 fiber-bundle integral field units that vary in diameter from 12" (19 fibers) to 32" (127 fibers). Two dual-channel spectrographs provide simultaneous wavelength coverage over 3600-10300 A at R~2000. With a typical integration time of 3 hr, MaNGA reaches a target r-band signal-to-noise ratio of 4-8 (per A, per 2" fiber) at 23 AB mag per sq. arcsec, which is typical for the outskirts of MaNGA galaxies. Targets are selected with stellar mass greater than 1e9 Msun using SDSS-I redshifts and i-band luminosity to achieve uniform radial coverage in terms of the effective radius, an approximately flat distribution in stellar mass, and a sample spanning a wide range of environments. Analysis of our prototype observations demonstrates MaNGA's ability to probe gas ionization, shed light on recent star formation and quenching, enable dynamical modeling, decompose constituent components, and map the composition of stellar populations. MaNGA's spatially resolved spectra will enable an unprecedented study of the astrophysics of nearby galaxies in the coming 6 yr.

The use of integral field spectroscopy is since recently allowing to measure the emission line fluxes of an increasingly large number of star-forming galaxies, both locally and at high redshift. Many studies have used these fluxes to derive the gas-phase metallicity of the galaxies by applying the so-called strong-line methods. However, the metallicity indicators that these datasets use were empirically calibrated using few direct abundance data points (Te-based measurements). Furthermore, a precise determination of the prediction intervals of these indicators is commonly lacking in these calibrations. Such limitations might lead to systematic errors in determining the gas-phase metallicity, especially at high redshift, which might have a strong impact on our understanding of the chemical evolution of the Universe. The main goal of this study is to review the most widely used empirical oxygen calibrations, O3N2 and N2, by using newdirect abundance measurements. We pay special attention to (1) the expected uncertainty of these calibrations as a function of the index value or abundance derived and (2) the presence of possible systematic offsets. This is possible thanks to the analysis of the most ambitious compilation of Te-based H ii regions to date. This new dataset compiles the Te-based abundances of 603 H ii regions extracted from the literature but also includes new measurements from the CALIFA survey. Besides providing new and improved empirical calibrations for the gas abundance, we also present a comparison between our revisited calibrations with a total of 3423 additional CALIFA H ii complexes with abundances derived using the ONS calibration from the literature. The combined analysis of Te-based and ONS abundances allows us to derive their most accurate calibration to date for both the O3N2 and N2 single-ratio indicators, in terms of all statistical significance, quality, and coverage of the parameters space. In particular, we infer that these indicators show shallower abundance dependencies and statistically significant offsets compared to others’. The O3N2 and N2 indicators can be empirically applied to derive oxygen abundances calibrations from either direct abundance determinations with random errors of 0.18 and 0.16, respectively, or from indirect ones (but based on a large amount of data), reaching an average precision of 0.08 and 0.09 dex (random) and 0.02 and 0.08 dex (systematic; compared to the direct estimations), respectively.

We present the largest and most homogeneous catalog of H ii regions and associations compiled so far. The catalog comprises more than 7000 ionized regions, extracted from 306 galaxies observed by the CALIFA survey. We describe the procedures used to detect, select, and analyze the spectroscopic properties of these ionized regions. In the current study we focus on characterizing of the radial gradient of the oxygen abundance in the ionized gas, based on the study of the deprojecteddistribution of H ii regions. We found that all galaxies without clear evidence of an interaction present a common gradient in the oxygen abundance, with a characteristic slope of αO/H = −0.1 dex/re between 0.3 and 2 disk effective radii (re), and a scatter compatible with random fluctuations around this value, when the gradient is normalized to the disk effective radius. The slope is independent of morphology, the incidence of bars, absolute magnitude, or mass. Only those galaxies with evidence of interactions and/or clear merging systems present a significantly shallower gradient, consistent with previous results. The majority of the 94 galaxies with H ii regions detected beyond two disk effective radii present a flattening in the oxygen abundance. The flattening is statistically significant. We cannot provide a conclusive answer regarding the origin of this flattening. However, our results indicate that its origin is most probably related to the secular evolution of galaxies. Finally, we find a drop/truncation of the oxygen abundance in the inner regions for 26 of the galaxies. All of them are non-interacting, mostly unbarred Sb/Sbc galaxies. This feature is associated with a central star-forming ring, which suggests that both features are produced by radial gas flows induced by resonance processes. Our result suggests that galaxy disks grow inside-out, with metal enrichment driven by the local star formation history and with a small variation galaxy-by-galaxy. At a certain galactocentric distance, the oxygen abundance seems to be correlated well with the stellar mass density and total stellar mass of the galaxies, independently of other properties of the galaxies. Other processes, such as radial mixing and inflows/outflows seem to have a limited effect on shaping of the radial distribution of oxygen abundances, although they are not ruled out.

Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) is an integral-field spectroscopic survey that is one of three core programs in the fourth-generation Sloan Digital Sky Survey (SDSS-IV). MaNGA's 17 pluggable optical fiber-bundle integral field units (IFUs) will observe a sample of 10,000 nearby galaxies distributed throughout the SDSS imaging footprint (focusing particularly on the North Galactic Cap). In each pointing these IFUs are deployed across a 3° field; they yield spectral coverage 3600−10300 Å at a typical resolution R ∼ 2000, and sample the sky with 2'' diameter fiber apertures with a total bundle fill factor of 56%. Observing over such a large field and range of wavelengths is particularly challenging for obtaining uniform and integral spatial coverage and resolution at all wavelengths and across each entire fiber array. Data quality is affected by the IFU construction technique, chromatic and field differential refraction, the adopted dithering strategy, and many other effects. We use numerical simulations to constrain the hardware design and observing strategy for the survey with the aim of ensuring consistent data quality that meets the survey science requirements while permitting maximum observational flexibility. We find that MaNGA science goals are best achieved with IFUs composed of a regular hexagonal grid of optical fibers with rms displacement of 5 μm or less from their nominal packing position; this goal is met by the MaNGA hardware, which achieves 3 μm rms fiber placement. We further show that MaNGA observations are best obtained in sets of three 15 minute exposures dithered along the vertices of a 1.44 arcsec equilateral triangle; these sets form the minimum observational unit, and are repeated as needed to achieve a combined signal-to-noise ratio of 5 Å−1 per fiber in the r-band continuum at a surface brightness of 23 AB arcsec−2. In order to ensure uniform coverage and delivered image quality, we require that the exposures in a given set be obtained within a 60 minute interval of each other in hour angle, and that all exposures be obtained at airmass (i.e., within 1–3 hr of transit depending on the declination of a given field).

Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) is acquiring integral-field spectroscopy for the largest sample of galaxies to date. By 2020, the MaNGA Survey --- one of three core programs in the fourth-generation Sloan Digital Sky Survey (SDSS-IV) --- will have observed a statistically representative sample of 10$^4$ galaxies in the local Universe ($z\lesssim0.15$). In addition to a robust data-reduction pipeline (DRP), MaNGA has developed a data-analysis pipeline (DAP) that provides higher-level data products. To accompany the first public release of its code base and data products, we provide an overview of the MaNGA DAP, including its software design, workflow, measurement procedures and algorithms, performance, and output data model. In conjunction with our companion paper Belfiore et al., we also assess the DAP output provided for 4718 observations of 4648 unique galaxies in the recent SDSS Data Release 15 (DR15). These analysis products focus on measurements that are close to the data and require minimal model-based assumptions. Namely, we provide stellar kinematics (velocity and velocity dispersion), emission-line properties (kinematics, fluxes, and equivalent widths), and spectral indices (e.g., D4000 and the Lick indices). We find that the DAP provides robust measurements and errors for the vast majority ($>$99%) of analyzed spectra. We summarize assessments of the precision and accuracy of our measurements as a function of signal-to-noise, and provide specific guidance to users regarding the limitations of the data. The MaNGA DAP software is publicly available and we encourage community involvement in its development.

Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA), one of three core programs in the Sloan Digital Sky Survey-IV (SDSS-IV), is an integral-field spectroscopic (IFS) survey of roughly 10,000 nearby galaxies. It employs dithered observations using 17 hexagonal bundles of 2 arcsec fibers to obtain resolved spectroscopy over a wide wavelength range of 3,600-10,300A. To map the internal variations within each galaxy, we need to perform accurate {\it spectral surface photometry}, which is to calibrate the specific intensity at every spatial location sampled by each individual aperture element of the integral field unit. The calibration must correct only for the flux loss due to atmospheric throughput and the instrument response, but not for losses due to the finite geometry of the fiber aperture. This requires the use of standard star measurements to strictly separate these two flux loss factors (throughput versus geometry), a difficult challenge with standard single-fiber spectroscopy techniques due to various practical limitations. Therefore, we developed a technique for spectral surface photometry using multiple small fiber-bundles targeting standard stars simultaneously with galaxy observations. We discuss the principles of our approach and how they compare to previous efforts, and we demonstrate the precision and accuracy achieved. MaNGA's relative calibration between the wavelengths of H$α$ and H$β$ has a root-mean-square (RMS) of 1.7%, while that between [NII] $λ$6583A and [OII] $λ$3727A has an RMS of 4.7%. Using extinction-corrected star formation rates and gas-phase metallicities as an illustration, this level of precision guarantees that flux calibration errors will be sub-dominant when estimating these quantities. The absolute calibration is better than 5% for more than 89% of MaNGA's wavelength range.

Galaxies, which often contain ionised gas, sometimes also exhibit a so-called low-ionisation nuclear emission line region (LINER). For 30 years this was attributed to a central mass-accreting supermassive black hole (AGN) of low luminosity, making LINER galaxies the largest AGN-sub-population, dominating in numbers over higher luminosity Seyfert galaxies and quasars. This, however, poses a serious problem. While the inferred energy balance is plausible, many LINERs clearly do not contain any other independent signatures of an AGN. Using integral field spectroscopic data from the CALIFA survey, we aim at comparing the observed radial surface brightness profiles with what is expected from illumination by an AGN. Essential for this analysis is a proper extraction of emission-lines, especially weak lines such as the Balmer Hb line which is superposed on an absorption trough. To accomplish this, we use the GANDALF code which simultaneously fits the underlying stellar continuum and emission lines. We show for 48 galaxies with LINER-like emission, that the radial emission-line surface brightness profiles are inconsistent with ionisation by a central point-source and hence cannot be due to an AGN alone. The most probable explanation for the excess LINER-like emission is ionisation by evolved stars during the short but very hot and energetic phase known as post-AGB. This leads us to an entirely new interpretation. Post-AGB stars are ubiquitous and their ionising effect should be potentially observable in every galaxy with gas present and stars older than ~1 Gyr, unless a stronger radiation field from young hot stars or an AGN outshines them. This means that galaxies with LINER-like emission are in fact not a class defined by a property, but rather by the absence of a property. It also explains why LINER emission is observed mostly in massive galaxies with old stars and little star formation.

We present the results on the study of the global and local M-Z relation based on the first data available from the CALIFA survey (150 galaxies). This survey provides integral field spectroscopy of the complete optical extent of each galaxy (up to 2-3 effective radii), with enough resolution to separate individual HII regions and/or aggregations. Nearly $\sim$3000 individual HII regions have been detected. The spectra cover the wavelength range between [OII]3727 and [SII]6731, with a sufficient signal-to-noise to derive the oxygen abundance and star-formation rate associated with each region. In addition, we have computed the integrated and spatially resolved stellar masses (and surface densities), based on SDSS photometric data. We explore the relations between the stellar mass, oxygen abundance and star-formation rate using this dataset. We derive a tight relation between the integrated stellar mass and the gas-phase abundance, with a dispersion smaller than the one already reported in the literature ($σ_{Δ{\rm log(O/H)}}=$0.07 dex). Indeed, this dispersion is only slightly larger than the typical error derived for our oxygen abundances. However, we do not find any secondary relation with the star-formation rate, other than the one induced due to the primary relation of this quantity with the stellar mass. We confirm the result using the $\sim$3000 individual HII regions, for the corresponding local relations. Our results agree with the scenario in which gas recycling in galaxies, both locally and globally, is much faster than other typical timescales, like that of gas accretion by inflow and/or metal loss due to outflows. In essence, late-type/disk dominated galaxies seem to be in a quasi-steady situation, with a behavior similar to the one expected from an instantaneous recycling/closed-box model.

This paper characterizes the radial structure of stellar population properties of galaxies in the nearby universe, based on 300 galaxies from the CALIFA survey. The sample covers a wide range of Hubble types, and galaxy stellar mass. We apply the spectral synthesis techniques to recover the stellar mass surface density, stellar extinction, light and mass-weighted ages, and mass-weighted metallicity, for each spatial resolution element in our target galaxies. To study mean trends with overall galaxy properties, the individual radial profiles are stacked in seven bins of galaxy morphology. We confirm that more massive galaxies are more compact, older, more metal rich, and less reddened by dust. Additionally, we find that these trends are preserved spatially with the radial distance to the nucleus. Deviations from these relations appear correlated with Hubble type: earlier types are more compact, older, and more metal rich for a given mass, which evidences that quenching is related to morphology, but not driven by mass. Negative gradients of ages are consistent with an inside-out growth of galaxies, with the largest ages gradients in Sb-Sbc galaxies. Further, the mean stellar ages of disks and bulges are correlated, with disks covering a wider range of ages, and late type spirals hosting younger disks. The gradients in stellar mass surface density depend mostly on stellar mass, in the sense that more massive galaxies are more centrally concentrated. There is a secondary correlation in the sense that at the same mass early type galaxies have steeper gradients. We find mildly negative metallicity gradients, shallower than predicted from models of galaxy evolution in isolation. The largest gradients occur in Sb galaxies. Overall we conclude that quenching processes act in manners that are independent of mass, while metallicity and galaxy structure are influenced by mass-dependent processes.