We present the first cosmology results from large-scale structure using the full 5000 deg2 of imaging data from the Dark Energy Survey (DES) Data Release 1. We perform an analysis of large-scale structure combining three two-point correlation functions (3×2pt): (i) cosmic shear using 100 million source galaxies, (ii) galaxy clustering, and (iii) the cross-correlation of source galaxy shear with lens galaxy positions, galaxy–galaxy lensing. To achieve the cosmological precision enabled by these measurements has required updates to nearly every part of the analysis from DES Year 1, including the use of two independent galaxy clustering samples, modeling advances, and several novel improvements in the calibration of gravitational shear and photometric redshift inference. The analysis was performed under strict conditions to mitigate confirmation or observer bias; we describe specific changes made to the lens galaxy sample following unblinding of the results and tests of the robustness of our results to this decision. We model the data within the flat ΛCDM and wCDM cosmological models, marginalizing over 25 nuisance parameters. We find consistent cosmological results between the three two-point correlation functions; their combination yields clustering amplitude S8=0.776+0.017−0.017 and matter density Ωm=0.339+0.032−0.031 in ΛCDM, mean with 68% confidence limits; S8=0.775+0.026−0.024, Ωm=0.352+0.035−0.041, and dark energy equation-of-state parameter w=−0.98+0.32−0.20 in wCDM. These constraints correspond to an improvement in signal-to-noise of the DES Year 3 3×2pt data relative to DES Year 1 by a factor of 2.1, about 20% more than expected from the increase in observing area alone. This combination of DES data is consistent with the prediction of the model favored by the Planck 2018 cosmic microwave background (CMB) primary anisotropy data, which is quantified with a probability-to-exceed p=0.13–0.48. We find better agreement between DES 3×2pt and Planck than in DES Y1, despite the significantly improved precision of both. When combining DES 3×2pt data with available baryon acoustic oscillation, redshift-space distortion, and type Ia supernovae data, we find p=0.34. Combining all of these datasets with Planck CMB lensing yields joint parameter constraints of S8=0.812+0.008−0.008, Ωm=0.306+0.004−0.005, h=0.680+0.004−0.003, and ∑mν<0.13 eV (95% C.L.) in ΛCDM; S8=0.812+0.008−0.008, Ωm=0.302+0.006−0.006, h=0.687+0.006−0.007, and w=−1.031+0.030−0.027 in wCDM.21 MoreReceived 1 June 2021Accepted 22 October 2021DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.023520© 2022 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasCosmological parametersCosmologyDark energyDark matterPhysical SystemsLarge scale structure of the UniverseGravitation, Cosmology & Astrophysics

This work, together with its companion paper, Secco and Samuroff et al. (2021), presents the Dark Energy Survey Year 3 cosmic shear measurements and cosmological constraints based on an analysis of over 100 million source galaxies. With the data spanning 4143 deg$^2$ on the sky, divided into four redshift bins, we produce the highest significance measurement of cosmic shear to date, with a signal-to-noise of 40. We conduct a blind analysis in the context of the $\Lambda$CDM model and find a 3% constraint of the clustering amplitude, $S_8\equiv \sigma_8 (\Omega_{\rm m}/0.3)^{0.5} = 0.759^{+0.025}_{-0.023}$. A $\Lambda$CDM-Optimized analysis, which safely includes smaller scale information, yields a 2% precision measurement of $S_8= 0.772^{+0.018}_{-0.017}$ that is consistent with the fiducial case. The two low-redshift measurements are statistically consistent with the Planck Cosmic Microwave Background result, however, both recovered $S_8$ values are lower than the high-redshift prediction by $2.3\sigma$ and $2.1\sigma$ ($p$-values of 0.02 and 0.05), respectively. The measurements are shown to be internally consistent across redshift bins, angular scales and correlation functions. The analysis is demonstrated to be robust to calibration systematics, with the $S_8$ posterior consistent when varying the choice of redshift calibration sample, the modeling of redshift uncertainty and methodology. Similarly, we find that the corrections included to account for the blending of galaxies shifts our best-fit $S_8$ by $0.5\sigma$ without incurring a substantial increase in uncertainty. We examine the limiting factors for the precision of the cosmological constraints and find observational systematics to be subdominant to the modeling of astrophysics. Specifically, we identify the uncertainties in modeling baryonic effects and intrinsic alignments as the limiting systematics.

This work and its companion paper, Amon et al. (2021), present cosmic shear measurements and cosmological constraints from over 100 million source galaxies in the Dark Energy Survey (DES) Year 3 data. We constrain the lensing amplitude parameter $S_8\equiv\sigma_8\sqrt{\Omega_\textrm{m}/0.3}$ at the 3% level in $\Lambda$CDM: $S_8=0.759^{+0.025}_{-0.023}$ (68% CL). Our constraint is at the 2% level when using angular scale cuts that are optimized for the $\Lambda$CDM analysis: $S_8=0.772^{+0.018}_{-0.017}$ (68% CL). With cosmic shear alone, we find no statistically significant constraint on the dark energy equation-of-state parameter at our present statistical power. We carry out our analysis blind, and compare our measurement with constraints from two other contemporary weak-lensing experiments: the Kilo-Degree Survey (KiDS) and Hyper-Suprime Camera Subaru Strategic Program (HSC). We additionally quantify the agreement between our data and external constraints from the Cosmic Microwave Background (CMB). Our DES Y3 result under the assumption of $\Lambda$CDM is found to be in statistical agreement with Planck 2018, although favors a lower $S_8$ than the CMB-inferred value by $2.3\sigma$ (a $p$-value of 0.02). This paper explores the robustness of these cosmic shear results to modeling of intrinsic alignments, the matter power spectrum and baryonic physics. We additionally explore the statistical preference of our data for intrinsic alignment models of different complexity. The fiducial cosmic shear model is tested using synthetic data, and we report no biases greater than 0.3$\sigma$ in the plane of $S_8\times\Omega_\textrm{m}$ caused by uncertainties in the theoretical models.

Abstract We study the robustness of the baryon acoustic oscillation (BAO) analysis to the underlying cosmological model. We focus on testing the standard BAO analysis that relies on the use of a template. These templates are constructed assuming a fixed fiducial cosmological model and used to extract the location of the acoustic peaks. Such “compressed analysis” had been shown to be unbiased when applied to the ΛCDM model and some of its extensions. However, it has not been known whether this type of analysis introduces biases in a wider range of cosmological models where the template may not fully capture relevant features in the BAO signal. In this study, we apply the compressed analysis to noiseless mock power spectra that are based on Horndeski models, a broad class of modified-gravity theories specified with eight additional free parameters. We study the precision and accuracy of the BAO peak-location extraction assuming DESI, DESI II, and MegaMapper survey specifications. We find that the bias in the extracted peak locations is negligible; for example, it is less than 10% of the statistical error for even the proposed future MegaMapper survey. Our findings indicate that the compressed BAO analysis is remarkably robust to the underlying cosmological model.

Abstract Low-surface-brightness galaxies (LSBGs) are excellent probes of quenching and other environmental processes near massive galaxies. We study an extensive sample of LSBGs near massive hosts in the local universe that are distributed across a diverse range of environments. The LSBGs with surface-brightness μ eff , g > 24.2  mag   arcsec − 2  are drawn from the Dark Energy Survey Year 3 catalog while the hosts with masses 9.0 < log ( M ⋆ / M ⊙ ) < 11.0 comparable to the Milky Way and the Large Magellanic Cloud are selected from the z0MGS sample. We study the projected radial density profiles of LSBGs as a function of their color and surface brightness around hosts in both the rich Fornax–Eridanus cluster environment and the low-density field. We detect an overdensity with respect to the background density, out to 2.5 times the virial radius for both hosts in the cluster environment and the isolated field galaxies. When the LSBG sample is split by g − i color or surface brightness μ eff, g , we find the LSBGs closer to their hosts are significantly redder and brighter, like their high-surface-brightness counterparts. The LSBGs form a clear “red sequence” in both the cluster and isolated environments that is visible beyond the virial radius of the hosts. This suggests preprocessing of infalling LSBGs and a quenched backsplash population around both host samples. More so, the relative prominence of the “blue cloud” feature implies that preprocessing is ongoing near the isolated hosts compared to the cluster environment where the LSBGs are already well processed.

Abstract We present a precise measurement of cosmological time dilation using the light curves of 1504 type Ia supernovae from the Dark Energy Survey spanning a redshift range 0.1 ≲ z ≲ 1.2. We find that the width of supernova light curves is proportional to (1 + z), as expected for time dilation due to the expansion of the Universe. Assuming type Ia supernovae light curves are emitted with a consistent duration Δtem, and parameterising the observed duration as Δtobs = Δtem(1 + z)b, we fit for the form of time dilation using two methods. Firstly, we find that a power of b ≈ 1 minimises the flux scatter in stacked subsamples of light curves across different redshifts. Secondly, we fit each target supernova to a stacked light curve (stacking all supernovae with observed bandpasses matching that of the target light curve) and find b = 1.003 ± 0.005 (stat) ± 0.010 (sys). Thanks to the large number of supernovae and large redshift-range of the sample, this analysis gives the most precise measurement of cosmological time dilation to date, ruling out any non-time-dilating cosmological models at very high significance.

ABSTRACT Cosmological analyses using galaxy clusters in optical/near-infrared photometric surveys require robust characterization of their galaxy content. Precisely determining which galaxies belong to a cluster is crucial. In this paper, we present the COlor Probabilistic Assignment of Clusters And BAyesiaNAnalysis (Copacabana) algorithm. Copacabana computes membership probabilities for all galaxies within an aperture centred on the cluster using photometric redshifts, colours, and projected radial probability density functions. We use simulations to validate Copacabana and we show that it achieves up to 89 per cent membership accuracy with a mild dependence on photometric redshift uncertainties and choice of aperture size. We find that the precision of the photometric redshifts has the largest impact on the determination of the membership probabilities followed by the choice of the cluster aperture size. We also quantify how much these uncertainties in the membership probabilities affect the stellar mass–cluster mass scaling relation, a relation that directly impacts cosmology. Using the sum of the stellar masses weighted by membership probabilities ($\rm \mu _{\star }$) as the observable, we find that Copacabana can reach an accuracy of 0.06 dex in the measurement of the scaling relation at low redshift for a Legacy Survey of Space and Time type survey. These results indicate the potential of Copacabana and $\rm \mu _{\star }$ to be used in cosmological analyses of optically selected clusters in the future.

The residuals of the distance moduli of Type Ia supernovae (SN Ia) relative to a Hubble diagram fit contain information about the inhomogeneity of the universe, due to weak lensing magnification by foreground matter. By correlating the residuals of the Dark Energy Survey Year 5 SN Ia sample (DES-SN5YR) with extra-galactic foregrounds from the DES Y3 Gold catalog, we detect the presence of lensing at $6.0 \sigma$ significance. This is the first detection with a significance level above $5\sigma$. Constraints on the effective mass-to-light ratios and radial profiles of dark-matter haloes surrounding individual galaxies are also obtained. We show that the scatter of SNe Ia around the Hubble diagram is reduced by modifying the standardisation of the distance moduli to include an easily calculable de-lensing (i.e., environmental) term. We use the de-lensed distance moduli to recompute cosmological parameters derived from SN Ia, finding in Flat $w$CDM a difference of $\Delta \Omega_{\rm M} = +0.036$ and $\Delta w = -0.056$ compared to the unmodified distance moduli, a change of $\sim 0.3\sigma$. We argue that our modelling of SN Ia lensing will lower systematics on future surveys with higher statistical power. We use the observed dispersion of lensing in DES-SN5YR to constrain $\sigma_8$, but caution that the fit is sensitive to uncertainties at small scales. Nevertheless, our detection of SN Ia lensing opens a new pathway to study matter inhomogeneity that complements galaxy-galaxy lensing surveys and has unrelated systematics.

ABSTRACT We report constraints on a variety of non-standard cosmological models using the full 5-yr photometrically classified type Ia supernova sample from the Dark Energy Survey (DES-SN5YR). Both Akaike Information Criterion (AIC) and Suspiciousness calculations find no strong evidence for or against any of the non-standard models we explore. When combined with external probes, the AIC and Suspiciousness agree that 11 of the 15 models are moderately preferred over Flat-$\Lambda$CDM suggesting additional flexibility in our cosmological models may be required beyond the cosmological constant. We also provide a detailed discussion of all cosmological assumptions that appear in the DES supernova cosmology analyses, evaluate their impact, and provide guidance on using the DES Hubble diagram to test non-standard models. An approximate cosmological model, used to perform bias corrections to the data holds the biggest potential for harbouring cosmological assumptions. We show that even if the approximate cosmological model is constructed with a matter density shifted by $\Delta \Omega _{\rm m}\sim 0.2$ from the true matter density of a simulated data set the bias that arises is subdominant to statistical uncertainties. Nevertheless, we present and validate a methodology to reduce this bias.