We report the discovery of eight new ultra-faint dwarf galaxy candidates in the second year of optical imaging data from the Dark Energy Survey (DES). Six of these candidates are detected at high confidence, while two lower-confidence candidates are identified in regions of non-uniform survey coverage. The new stellar systems are found by three independent automated search techniques and are identified as overdensities of stars, consistent with the isochrone and luminosity function of an old and metal-poor simple stellar population. The new systems are faint (Mv > -4.7 mag) and span a range of physical sizes (17 pc < $r_{1/2}$ < 181 pc) and heliocentric distances (25 kpc < D < 214 kpc). All of the new systems have central surface brightnesses consistent with known ultra-faint dwarf galaxies (\mu < 27.5 mag arcsec$^{-2}$). Roughly half of the DES candidates are more distant, less luminous, and/or have lower surface brightnesses than previously known Milky Way satellite galaxies. Most of the candidates are found in the southern part of the DES footprint close to the Magellanic Clouds. We find that the DES data alone exclude (p < 0.001) a spatially isotropic distribution of Milky Way satellites and that the observed distribution can be well, though not uniquely, described by an association between several of the DES satellites and the Magellanic system. Our model predicts that the full sky may hold ~100 ultra-faint galaxies with physical properties comparable to the DES satellites and that 20-30% of these would be spatially associated with the Magellanic Clouds.

We perform a comprehensive study of Milky Way (MW) satellite galaxies to constrain the fundamental properties of dark matter (DM). This analysis fully incorporates inhomogeneities in the spatial distribution and detectability of MW satellites and marginalizes over uncertainties in the mapping between galaxies and DM halos, the properties of the MW system, and the disruption of subhalos by the MW disk. Our results are consistent with the cold, collisionless DM paradigm and yield the strongest cosmological constraints to date on particle models of warm, interacting, and fuzzy dark matter. At 95% confidence, we report limits on (i) the mass of thermal relic warm DM, mWDM>6.5 keV (free-streaming length, λfs≲10h−1 kpc), (ii) the velocity-independent DM-proton scattering cross section, σ0<8.8×10−29 cm2 for a 100 MeV DM particle mass [DM-proton coupling, cp≲(0.3 GeV)−2], and (iii) the mass of fuzzy DM, mϕ>2.9×10−21 eV (de Broglie wavelength, λdB≲0.5 kpc). These constraints are complementary to other observational and laboratory constraints on DM properties.Received 30 July 2020Revised 12 December 2020Accepted 27 January 2021DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.091101© 2021 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasDark matterParticle dark matterPhysical SystemsGalactic halosGravitation, Cosmology & Astrophysics

We present the survey strategy and early results of the "Satellites Around Galactic Analogs" (SAGA) Survey. The SAGA Survey's goal is to measure the distribution of satellite galaxies around 100 systems analogous to the Milky Way down to the luminosity of the Leo I dwarf galaxy ($ M_r < -12.3 $). We define a Milky Way analog based on $K$-band luminosity and local environment. Here, we present satellite luminosity functions for 8 Milky Way analog galaxies between 20 to 40 Mpc. These systems have nearly complete spectroscopic coverage of candidate satellites within the projected host virial radius down to $ r_o < 20.75 $ using low redshift $gri$ color criteria. We have discovered a total of 25 new satellite galaxies: 14 new satellite galaxies meet our formal criteria around our complete host systems, plus 11 additional satellites in either incompletely surveyed hosts or below our formal magnitude limit. Combined with 13 previously known satellites, there are a total of 27 satellites around 8 complete Milky Way analog hosts. We find a wide distribution in the number of satellites per host, from 1 to 9, in the luminosity range for which there are five Milky Way satellites. Standard abundance matching extrapolated from higher luminosities predicts less scatter between hosts and a steeper luminosity function slope than observed. We find that the majority of satellites (26 of 27) are star-forming. These early results indicate that the Milky Way has a different satellite population than typical in our sample, potentially changing the physical interpretation of measurements based only on the Milky Way's satellite galaxies.

Abstract We present Milky Way-est, a suite of 20 cosmological cold-dark-matter-only zoom-in simulations of Milky Way (MW)-like host halos. Milky Way-est hosts are selected such that they (i) are consistent with the MW’s measured halo mass and concentration, (ii) accrete a Large Magellanic Cloud (LMC)-like (≈10 11 M ⊙ ) subhalo within the last 2 Gyr on a realistic orbit, placing them near 50 kpc from the host center at z ≈ 0, and (iii) undergo a >1:5 sub-to-host halo mass ratio merger with a Gaia–Sausage–Enceladus (GSE)-like system at early times (0.67 < z < 3). Hosts satisfying these LMC and GSE constraints constitute <1% of all halos in the MW’s mass range, and their total masses grow rapidly at late times due to LMC analog accretion. Compared to hosts of a similar final halo mass that are not selected to include LMC and GSE analogs, Milky Way-est hosts contain 22% more subhalos with present-day virial masses above 10 8 M ⊙ throughout the virial radius, on average. This enhancement reaches ≈80% in the inner 100 kpc and is largely, if not entirely, due to LMC-associated subhalos. These systems also induce spatial anisotropy in Milky Way-est subhalo populations, with ≈60% of the total subhalo population within 100 kpc found in the current direction of the LMC. Meanwhile, we find that GSE-associated subhalos do not significantly contribute to present-day Milky Way-est subhalo populations. These results provide context for our Galaxy’s dark matter structure and subhalo population and will help interpret a range of measurements that are currently only possible in the MW.

Abstract We report the discovery of two ultrafaint dwarf galaxies, Leo M and Leo K, that lie outside the halo of the Milky Way (MW). Using Hubble Space Telescope imaging of the resolved stars, we create color–magnitude diagrams reaching the oldest main-sequence turnoff of each system and (i) fit for structural parameters of the galaxies; (ii) measure their distances using the luminosity of the horizontal branch stars; (iii) estimate integrated magnitudes and stellar masses; and (iv) reconstruct the star formation histories. Based on their location in the Local Group, neither galaxy is currently within the halo of the MW although Leo K is located ∼26 kpc from the low-mass galaxy Leo T and these two systems may have had a past interaction. Leo M and Leo K have stellar masses of 1.8 − 0.2 + 0.3 ×  10 4  M ⊙ and 1.2 ± 0.2 × 10 4 M ⊙ , and were quenched 10.6 − 1.1 + 2.2 Gyr and 12.8 − 4.2 + 0.1 Gyr ago, respectively. Given that the galaxies are at farther distances from the MW, it is unlikely that they were quenched by environmental processing. Instead, given their low stellar masses, their early quenching timescales are consistent with the scenario that a combination of reionization and stellar feedback shut down star formation at early cosmic times.

Abstract The Milky Way (MW) is surrounded by dozens of satellite galaxies, with six-dimensional (6D) phase-space information measured for over 80% of this population. The spatial distribution of these satellites is an essential probe of galaxy formation and for mapping the MW’s underlying dark matter distribution. Using measured 6D phase-space information of known MW satellites, we calculate orbital histories in a joint MW+LMC potential, including the gravitational influence of the LMC on all satellites and on the MW’s center of mass, and dynamical friction owing to both galaxies, to investigate the evolution of the MW’s cumulative radial profile. We conclude that radial profiles become more concentrated over time when we consider the LMC’s gravitational influence and the group infall of LMC-associated satellites. The MW’s radial distribution is consistently more concentrated at the present day and 1 and 2 Gyr ago compared to recent surveys of nearby MW-like systems. Compared to MW-mass hosts in cosmological, zoom-in simulations, we find the MW’s radial profile is also more concentrated than those of simulated counterparts; however, some overlap exists between simulation results and our analysis of the MW’s satellite distribution 2 Gyr ago, pre-LMC infall. Finally, we posit that radial profiles of simulated MW-mass analogs also hosting an LMC companion are likely to evolve similarly to our results, such that the accretion of a massive satellite along with its satellites will lead to a more concentrated radial profile as the massive satellite advances toward its host galaxy.