Abstract The DESI Legacy Imaging Surveys ( http://legacysurvey.org/ ) are a combination of three public projects (the Dark Energy Camera Legacy Survey, the Beijing–Arizona Sky Survey, and the Mayall z -band Legacy Survey) that will jointly image ≈14,000 deg 2 of the extragalactic sky visible from the northern hemisphere in three optical bands ( g , r , and z ) using telescopes at the Kitt Peak National Observatory and the Cerro Tololo Inter-American Observatory. The combined survey footprint is split into two contiguous areas by the Galactic plane. The optical imaging is conducted using a unique strategy of dynamically adjusting the exposure times and pointing selection during observing that results in a survey of nearly uniform depth. In addition to calibrated images, the project is delivering a catalog, constructed by using a probabilistic inference-based approach to estimate source shapes and brightnesses. The catalog includes photometry from the grz optical bands and from four mid-infrared bands (at 3.4, 4.6, 12, and 22 μ m) observed by the Wide-field Infrared Survey Explorer satellite during its full operational lifetime. The project plans two public data releases each year. All the software used to generate the catalogs is also released with the data. This paper provides an overview of the Legacy Surveys project.

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.

Abstract We present the Dark Energy Camera (DECam) discovery of the optical counterpart of the first binary neutron star merger detected through gravitational-wave emission, GW170817. Our observations commenced 10.5 hr post-merger, as soon as the localization region became accessible from Chile. We imaged 70 deg 2 in the i and z bands, covering 93% of the initial integrated localization probability, to a depth necessary to identify likely optical counterparts (e.g., a kilonova). At 11.4 hr post-merger we detected a bright optical transient located  from the nucleus of NGC 4993 at redshift z = 0.0098, consistent (for  km s −1 Mpc −1 ) with the distance of 40 ± 8 Mpc reported by the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration (LVC). At detection the transient had magnitudes of  and  , and thus an absolute magnitude of  , in the luminosity range expected for a kilonova. We identified 1500 potential transient candidates. Applying simple selection criteria aimed at rejecting background events such as supernovae, we find the transient associated with NGC 4993 as the only remaining plausible counterpart, and reject chance coincidence at the 99.5% confidence level. We therefore conclude that the optical counterpart we have identified near NGC 4993 is associated with GW170817. This discovery ushers in the era of multi-messenger astronomy with gravitational waves and demonstrates the power of DECam to identify the optical counterparts of gravitational-wave sources.

We report the discovery of eight new Milky Way companions in of optical imaging data collected during the first year of the Dark Energy Survey (DES). Each system is identified as a statistically significant over-density of individual stars consistent with the expected isochrone and luminosity function of an old and metal-poor stellar population. The objects span a wide range of absolute magnitudes (MV from to ), physical sizes (), and heliocentric distances (). Based on the low surface brightnesses, large physical sizes, and/or large Galactocentric distances of these objects, several are likely to be new ultra-faint satellite galaxies of the Milky Way and/or Magellanic Clouds. We introduce a likelihood-based algorithm to search for and characterize stellar over-densities, as well as identify stars with high satellite membership probabilities. We also present completeness estimates for detecting ultra-faint galaxies of varying luminosities, sizes, and heliocentric distances in the first-year DES data.

ABSTRACT We describe updates to the redMaPPer algorithm, a photometric red-sequence cluster finder specifically designed for large photometric surveys. The updated algorithm is applied to of Science Verification (SV) data from the Dark Energy Survey (DES), and to the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) DR8 photometric data set. The DES SV catalog is locally volume limited and contains 786 clusters with richness (roughly equivalent to ) and . The DR8 catalog consists of 26,311 clusters with , with a sharply increasing richness threshold as a function of redshift for . The photometric redshift performance of both catalogs is shown to be excellent, with photometric redshift uncertainties controlled at the level for , rising to ∼0.02 at in DES SV. We make use of Chandra and XMM X-ray and South Pole Telescope Sunyaev–Zeldovich data to show that the centering performance and mass–richness scatter are consistent with expectations based on prior runs of redMaPPer on SDSS data. We also show how the redMaPPer photo- z and richness estimates are relatively insensitive to imperfect star/galaxy separation and small-scale star masks.

ABSTRACT We search for excess γ -ray emission coincident with the positions of confirmed and candidate Milky Way satellite galaxies using six years of data from the Fermi Large Area Telescope (LAT). Our sample of 45 stellar systems includes 28 kinematically confirmed dark-matter-dominated dwarf spheroidal galaxies (dSphs) and 17 recently discovered systems that have photometric characteristics consistent with the population of known dSphs. For each of these targets, the relative predicted γ -ray flux due to dark matter annihilation is taken from kinematic analysis if available, and estimated from a distance-based scaling relation otherwise, assuming that the stellar systems are DM-dominated dSphs. LAT data coincident with four of the newly discovered targets show a slight preference (each 2 σ local) for γ -ray emission in excess of the background. However, the ensemble of derived γ -ray flux upper limits for individual targets is consistent with the expectation from analyzing random blank-sky regions, and a combined analysis of the population of stellar systems yields no globally significant excess (global significance ). Our analysis has increased sensitivity compared to the analysis of 15 confirmed dSphs by Ackermann et al. The observed constraints on the DM annihilation cross section are statistically consistent with the background expectation, improving by a factor of ∼2 for large DM masses ( and ) and weakening by a factor of ∼1.5 at lower masses relative to previously observed limits.

We combine Dark Energy Survey Year 1 clustering and weak lensing data with Baryon Acoustic Oscillations (BAO) and Big Bang Nucleosynthesis (BBN) experiments to constrain the Hubble constant. Assuming a flat $\Lambda$CDM model with minimal neutrino mass ($\sum m_\nu = 0.06$ eV) we find $H_0=67.2^{+1.2}_{-1.0}$ km/s/Mpc (68% CL). This result is completely independent of Hubble constant measurements based on the distance ladder, Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies (both temperature and polarization), and strong lensing constraints. There are now five data sets that: a) have no shared observational systematics; and b) each constrain the Hubble constant with a few percent level precision. We compare these five independent measurements, and find that, as a set, the differences between them are significant at the $2.1\sigma$ level ($\chi^2/dof=20.1/11$, probability to exceed=4%). This difference is low enough that we consider the data sets statistically consistent with each other. The best fit Hubble constant obtained by combining all five data sets is $H_0 = 69.1^{+0.4}_{-0.6}$ km/s/Mpc.

We describe the creation, content, and validation of the Dark Energy Survey (DES) internal year-one cosmology data set, Y1A1 GOLD, in support of upcoming cosmological analyses. The Y1A1 GOLD data set is assembled from multiple epochs of DES imaging and consists of calibrated photometric zeropoints, object catalogs, and ancillary data products - e.g., maps of survey depth and observing conditions, star-galaxy classification, and photometric redshift estimates - that are necessary for accurate cosmological analyses. The Y1A1 GOLD wide-area object catalog consists of ~137 million objects detected in coadded images covering ~1800 deg$^2$ in the DES grizY filters. The 10σ limiting magnitude for galaxies is g = 23.4, r = 23.2, i = 22.5, z = 21.8, and Y = 20.1. Photometric calibration of Y1A1 GOLD was performed by combining nightly zeropoint solutions with stellar-locus regression, and the absolute calibration accuracy is better than 2% over the survey area. DES Y1A1 GOLD is the largest photometric data set at the achieved depth to date, enabling precise measurements of cosmic acceleration at z $\lesssim$ 1.

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