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 present initial results from the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) complete calibration of the colour–redshift relation (DC3R2) secondary target survey. Our analysis uses 230 k galaxies that overlap with KiDS-VIKING ugriZYJHKs photometry to calibrate the colour–redshift relation and to inform photometric redshift (photo-z) inference methods of future weak lensing surveys. Together with emission line galaxies (ELGs), luminous red galaxies (LRGs), and the Bright Galaxy Survey (BGS) that provide samples of complementary colour, the DC3R2 targets help DESI to span 56 per cent of the colour space visible to Euclid and LSST with high confidence spectroscopic redshifts. The effects of spectroscopic completeness and quality are explored, as well as systematic uncertainties introduced with the use of common Self-Organizing Maps trained on different photometry than the analysis sample. We further examine the dependence of redshift on magnitude at fixed colour, important for the use of bright galaxy spectra to calibrate redshifts in a fainter photometric galaxy sample. We find that noise in the KiDS-VIKING photometry introduces a dominant, apparent magnitude dependence of redshift at fixed colour, which indicates a need for carefully chosen deep drilling fields, and survey simulation to model this effect for future weak lensing surveys.

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 We present an extension to a Sunyaev–Zel’dovich Effect (SZE) selected cluster catalogue based on observations from the South Pole Telescope (SPT); this catalogue extends to lower signal to noise than the previous SPT–SZ catalogue and therefore includes lower mass clusters. Optically derived redshifts, centres, richnesses, and morphological parameters together with catalogue contamination and completeness statistics are extracted using the multicomponent matched filter (MCMF) algorithm applied to the S/N > 4 SPT–SZ candidate list and the Dark Energy Survey (DES) photometric galaxy catalogue. The main catalogue contains 811 sources above S/N = 4, has 91 per cent purity, and is 95 per cent complete with respect to the original SZE selection. It contains in total 50 per cent more clusters and twice as many clusters above z = 0.8 in comparison to the original SPT-SZ sample. The MCMF algorithm allows us to define subsamples of the desired purity with traceable impact on catalogue completeness. As an example, we provide two subsamples with S/N > 4.25 and S/N > 4.5 for which the sample contamination and cleaning-induced incompleteness are both as low as the expected Poisson noise for samples of their size. The subsample with S/N > 4.5 has 98 per cent purity and 96 per cent completeness and is part of our new combined SPT cluster and DES weak-lensing cosmological analysis. We measure the number of false detections in the SPT-SZ candidate list as function of S/N, finding that it follows that expected from assuming Gaussian noise, but with a lower amplitude compared to previous estimates from simulations.

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.