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 binary neutron-star merger GW1708171 was accompanied by radiation across the electromagnetic spectrum2 and localized2 to the galaxy NGC 4993 at a distance3 of about 41 megaparsecs from Earth. The radio and X-ray afterglows of GW170817 exhibited delayed onset4–7, a gradual increase8 in the emission with time (proportional to t0.8) to a peak about 150 days after the merger event9, followed by a relatively rapid decline9,10. So far, various models have been proposed to explain the afterglow emission, including a choked-jet cocoon4,8,11–13 and a successful-jet cocoon4,8,11–18 (also called a structured jet). However, the observational data have remained inconclusive10,15,19,20 as to whether GW170817 launched a successful relativistic jet. Here we report radio observations using very long-baseline interferometry. We find that the compact radio source associated with GW170817 exhibits superluminal apparent motion between 75 days and 230 days after the merger event. This measurement breaks the degeneracy between the choked- and successful-jet cocoon models and indicates that, although the early-time radio emission was powered by a wide-angle outflow8 (a cocoon), the late-time emission was most probably dominated by an energetic and narrowly collimated jet (with an opening angle of less than five degrees) and observed from a viewing angle of about 20 degrees. The imaging of a collimated relativistic outflow emerging from GW170817 adds substantial weight to the evidence linking binary neutron-star mergers and short γ-ray bursts. Emission from the radio counterpart of the gravitation-wave event GW170817 was powered by a wide-angle outflow at early times, but probably dominated by a narrowly collimated jet at later times.

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).

Software correlation, where a correlation algorithm written in a high-level language such as C++ is run on commodity computer hardware, has become increasingly attractive for small to medium sized and/or bandwidth constrained radio interferometers. In particular, many long baseline arrays (which typically have fewer than 20 elements and are restricted in observing bandwidth by costly recording hardware and media) have utilized software correlators for rapid, cost-effective correlator upgrades to allow compatibility with new, wider bandwidth recording systems and improve correlator flexibility. The DiFX correlator, made publicly available in 2007, has been a popular choice in such upgrades and is now used for production correlation by a number of observatories and research groups worldwide. Here we describe the evolution in the capabilities of the DiFX correlator over the past three years, including a number of new capabilities, substantial performance improvements, and a large amount of supporting infrastructure to ease use of the code. New capabilities include the ability to correlate a large number of phase centers in a single correlation pass, the extraction of phase calibration tones, correlation of disparate but overlapping sub-bands, the production of rapidly sampled filterbank and kurtosis data at minimal cost, and many more. The latest version of the code is at least 15% faster than the original, and in certain situations many times this value. Finally, we also present detailed test results validating the correctness of the new code.

More than three quarters of the baryonic content of the Universe resides in a highly diffuse state that is difficult to observe, with only a small fraction directly observed in galaxies and galaxy clusters. Censuses of the nearby Universe have used absorption line spectroscopy to observe these invisible baryons, but these measurements rely on large and uncertain corrections and are insensitive to the majority of the volume, and likely mass. Specifically, quasar spectroscopy is sensitive either to only the very trace amounts of Hydrogen that exists in the atomic state, or highly ionized and enriched gas in denser regions near galaxies. Sunyaev-Zel'dovich analyses provide evidence of some of the gas in filamentary structures and studies of X-ray emission are most sensitive to gas near galaxy clusters. Here we report the direct measurement of the baryon content of the Universe using the dispersion of a sample of localized fast radio bursts (FRBs), thus utilizing an effect that measures the electron column density along each sight line and accounts for every ionised baryon. We augment the sample of published arcsecond-localized FRBs with a further four new localizations to host galaxies which have measured redshifts of 0.291, 0.118, 0.378 and 0.522, completing a sample sufficiently large to account for dispersion variations along the line of sight and in the host galaxy environment to derive a cosmic baryon density of $\Omega_{b} = 0.051_{-0.025}^{+0.021} \, h_{70}^{-1}$ (95% confidence). This independent measurement is consistent with Cosmic Microwave Background and Big Bang Nucleosynthesis values.

The centre of our Milky Way harbours the closest candidate for a supermassive black hole. The source is thought to be powered by radiatively inefficient accretion of gas from its environment. This form of accretion is a standard mode of energy supply for most galactic nuclei. X-ray measurements have already resolved a tenuous hot gas component from which it can be fed. However, the magnetization of the gas, a crucial parameter determining the structure of the accretion flow, remains unknown. Strong magnetic fields can influence the dynamics of the accretion, remove angular momentum from the infalling gas, expel matter through relativistic jets and lead to the observed synchrotron emission. Here we report multi-frequency measurements with several radio telescopes of a newly discovered pulsar close to the Galactic Centre and show that its unusually large Faraday rotation indicates a dynamically relevant magnetic field near the black hole. If this field is accreted down to the event horizon it provides enough magnetic flux to explain the observed emission from the black hole, from radio to X-rays.

[ABRIDGED VERSION] The future of cm and m-wave astronomy lies with the Square Kilometre Array (SKA), a telescope under development by a consortium of 17 countries. The SKA will be 50 times more sensitive than any existing radio facility. A majority of the key science for the SKA will be addressed through large-area imaging of the Universe at frequencies from 300 MHz to a few GHz. The Australian SKA Pathfinder (ASKAP) is aimed squarely in this frequency range, and achieves instantaneous wide-area imaging through the development and deployment of phase-array feed systems on parabolic reflectors. This large field-of-view makes ASKAP an unprecedented synoptic telescope poised to achieve substantial advances in SKA key science. The central core of ASKAP will be located at the Murchison Radio Observatory in inland Western Australia, one of the most radio-quiet locations on the Earth and one of the sites selected by the international community as a potential location for the SKA. Following an introductory description of ASKAP, this document contains 7 chapters describing specific science programmes for ASKAP. The combination of location, technological innovation and scientific program will ensure that ASKAP will be a world-leading radio astronomy facility, closely aligned with the scientific and technical direction of the SKA. A brief summary chapter emphasizes the point, and considers discovery space.

Fast Radio Bursts (FRBs) are brief radio emissions from distant astronomical sources. Some are known to repeat, but most are single bursts. Non-repeating FRB observations have had insufficient positional accuracy to localize them to an individual host galaxy. We report the interferometric localization of the single pulse FRB 180924 to a position 4 kpc from the center of a luminous galaxy at redshift 0.3214. The burst has not been observed to repeat. The properties of the burst and its host are markedly different from the only other accurately localized FRB source. The integrated electron column density along the line of sight closely matches models of the intergalactic medium, indicating that some FRBs are clean probes of the baryonic component of the cosmic web.

The observed electromagnetic emission from GW170817 suggests that a ‘cocoon’ of mildly relativistic material was released as a jet transferred its energy to the neutron-rich dynamical ejecta from the merger. On 17 August 2017, the detection of a gravitational-wave signature of merging neutron stars preceded that of a weak, short γ-ray burst. The source was quickly localized to the galaxy NGC 4993, and a range of telescopes measuring different parts of the electromagnetic spectrum followed the source, which was fading at most wavelengths. The radio emission, however, has continued to increase. Kunal Mooley and colleagues report continuing radio observations that are inconsistent with the off-axis relativistic jet that was initially believed to explain the optical, X-ray and γ-ray data. Instead, the radio data are best explained by a mildly relativistic wide-angle outflow. GW170817 was the first gravitational-wave detection of a binary neutron-star merger1. It was accompanied by radiation across the electromagnetic spectrum and localized2 to the galaxy NGC 4993 at a distance of 40 megaparsecs. It has been proposed that the observed γ-ray, X-ray and radio emission is due to an ultra-relativistic jet being launched during the merger (and successfully breaking out of the surrounding material), directed away from our line of sight (off-axis)3,4,5,6. The presence of such a jet is predicted from models that posit neutron-star mergers as the drivers of short hard-γ-ray bursts7,8. Here we report that the radio light curve of GW170817 has no direct signature of the afterglow of an off-axis jet. Although we cannot completely rule out the existence of a jet directed away from the line of sight, the observed γ-ray emission could not have originated from such a jet. Instead, the radio data require the existence of a mildly relativistic wide-angle outflow moving towards us. This outflow could be the high-velocity tail of the neutron-rich material that was ejected dynamically during the merger, or a cocoon of material that breaks out when a jet launched during the merger transfers its energy to the dynamical ejecta. Because the cocoon model explains the radio light curve of GW170817, as well as the γ-ray and X-ray emission (and possibly also the ultraviolet and optical emission)9,10,11,12,13,14,15, it is the model that is most consistent with the observational data. Cocoons may be a ubiquitous phenomenon produced in neutron-star mergers, giving rise to a hitherto unidentified population of radio, ultraviolet, X-ray and γ-ray transients in the local Universe.

On a time scale of years to decades, gravitational wave (GW) astronomy will become a reality.Low frequency (∼10 -9 Hz) GWs are detectable through long-term timing observations of the most stable pulsars.Radio observatories worldwide are currently carrying out observing programmes to detect GWs, with data sets being shared through the International Pulsar Timing Array project.One of the most likely sources of low frequency GWs are supermassive black hole binaries (SMBHBs), detectable as a background due to a large number of binaries, or as continuous or burst emission from individual sources.No GW signal has yet been detected, but stringent constraints are already being placed on galaxy evolution models.The SKA will bring this research to fruition.In this chapter, we describe how timing observations using SKA1 will contribute to detecting GWs, or can confirm a detection if a first signal already has been identified when SKA1 commences observations.We describe how SKA observations will identify the source(s) of a GW signal, search for anisotropies in the background, improve models of galaxy evolution, test theories of gravity, and characterise the early inspiral phase of a SMBHB system.We describe the impact of the large number of millisecond pulsars to be discovered by the SKA; and the observing cadence, observation durations, and instrumentation required to reach the necessary sensitivity.We describe the noise processes that will influence the achievable precision with the SKA.We assume a long-term timing programme using the SKA1-MID array and consider the implications of modifications to the current design.We describe the possible benefits from observations using SKA1-LOW.Finally, we describe GW detection prospects with SKA1 and SKA2, and end with a description of the expectations of GW astronomy.