Quasars are the most luminous non-transient objects known and as a result they enable studies of the Universe at the earliest cosmic epochs. Despite extensive efforts, however, the quasar ULAS J1120+0641 at z=7.09 has remained the only one known at z>7 for more than half a decade. Here we report observations of the quasar ULAS J134208.10+092838.61 (hereafter J1342+0928) at redshift z=7.54. This quasar has a bolometric luminosity of 4e13 times the luminosity of the Sun and a black hole mass of 8e8 solar masses. The existence of this supermassive black hole when the Universe was only 690 million years old---just five percent of its current age---reinforces models of early black-hole growth that allow black holes with initial masses of more than about 1e4 solar masses or episodic hyper-Eddington accretion. We see strong evidence of absorption of the spectrum of the quasar redwards of the Lyman alpha emission line (the Gunn-Peterson damping wing), as would be expected if a significant amount (more than 10 per cent) of the hydrogen in the intergalactic medium surrounding J1342+0928 is neutral. We derive a significant fraction of neutral hydrogen, although the exact fraction depends on the modelling. However, even in our most conservative analysis we find a fraction of more than 0.33 (0.11) at 68 per cent (95 per cent) probability, indicating that we are probing well within the reionization epoch of the Universe.

The Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) is a 524-orbit Multi-Cycle Treasury Program to use the gravitational lensing properties of 25 galaxy clusters to accurately constrain their mass distributions. The survey, described in detail in this paper, will definitively establish the degree of concentration of dark matter in the cluster cores, a key prediction of structure formation models. The CLASH cluster sample is larger and less biased than current samples of space-based imaging studies of clusters to similar depth, as we have minimized lensing-based selection that favors systems with overly dense cores. Specifically, 20 CLASH clusters are solely X-ray selected. The X-ray-selected clusters are massive (kT > 5 keV) and, in most cases, dynamically relaxed. Five additional clusters are included for their lensing strength (θEin > 35'' at zs = 2) to optimize the likelihood of finding highly magnified high-z (z > 7) galaxies. A total of 16 broadband filters, spanning the near-UV to near-IR, are employed for each 20-orbit campaign on each cluster. These data are used to measure precise (σz ∼ 0.02(1 + z)) photometric redshifts for newly discovered arcs. Observations of each cluster are spread over eight epochs to enable a search for Type Ia supernovae at z > 1 to improve constraints on the time dependence of the dark energy equation of state and the evolution of supernovae. We present newly re-derived X-ray luminosities, temperatures, and Fe abundances for the CLASH clusters as well as a representative source list for MACS1149.6+2223 (z = 0.544).

Since the launch of Hubble Space Telescope (HST) 9 yr ago, Cepheid distances to 25 galaxies have been determined for the purpose of calibrating secondary distance indicators. Eighteen of these have been measured by the HST Key Project team, six by the Supernova Calibration Project, and one independently by Tanvir. Collectively, this work sets out an array of survey markers over the region within 25 Mpc of the Milky Way. A variety of secondary distance indicators can now be calibrated, and the accompanying four papers employ the full set of 25 galaxies to consider the Tully-Fisher relation, the fundamental plane of elliptical galaxies, Type Ia supernovae, and surface brightness fluctuations. When calibrated with Cepheid distances, each of these methods yields a measurement of the Hubble constant and a corresponding measurement uncertainty. We combine these measurements in this paper, together with a model of the velocity field, to yield the best available estimate of the value of H0 within the range of these secondary distance indicators and its uncertainty. The uncertainty in the result is modeled in an extensive simulation we call the "virtual Key Project." The velocity-field model includes the influence of the Virgo cluster, the Great Attractor, and the Shapley supercluster, but does not play a significant part in determining the result. The result is H0 = 71 ± 6 km s-1 Mpc-1. The largest contributor to the uncertainty of this 67% confidence level result is the distance of the Large Magellanic Cloud, which has been assumed to be 50 ± 3 kpc. This takes up the first 6.5% of our 9% error budget. Other contributors are the photometric calibration of the WFPC2 instrument, which takes up 4.5%, deviations from uniform Hubble flow in the volume sampled (≲2%), the composition sensitivity of the Cepheid period-luminosity relation (4%), and departures from a universal reddening law (~1%). These are the major components that , when combined in quadrature, make up the 9% total uncertainty. If the LMC distance modulus were systematically smaller by 1 σ than that adopted here, the derived value of the Hubble constant would increase by 4 km s-1 Mpc-1. Most of the significant systematic errors are capable of amelioration in future work. These include the uncertainty in the photometric calibration of WFPC2, the LMC distance, and the reddening correction. A NICMOS study is in its preliminary reduction phase, addressing the last of these concerns. Various empirical analyses have suggested that Cepheid distance moduli are affected by metallicity differences. If we adopted the composition sensitivity obtained in the Key Project's study of M101, and employed the oxygen abundances measured spectroscopically in each of the Cepheid fields we have studied, the value of the Hubble constant would be reduced by 4% ± 2% to 68 ± 6 km s-1 Mpc-1.

We present radial velocities, equivalent widths, model atmosphere parameters, and abundances or upper limits for 53 species of 48 elements derived from high resolution optical spectroscopy of 313 metal-poor stars. A majority of these stars were selected from the metal-poor candidates of the HK Survey of Beers, Preston, and Shectman. We derive detailed abundances for 61% of these stars for the first time. Spectra were obtained during a 10-year observing campaign using the Magellan Inamori Kyocera Echelle spectrograph on the Magellan Telescopes at Las Campanas Observatory, the Robert G. Tull Coude Spectrograph on the Harlan J. Smith Telescope at McDonald Observatory, and the High Resolution Spectrograph on the Hobby-Eberly Telescope at McDonald Observatory. We perform a standard LTE abundance analysis using MARCS model atmospheres, and we apply line-by-line statistical corrections to minimize systematic abundance differences arising when different sets of lines are available for analysis. We identify several abundance correlations with effective temperature. A comparison with previous abundance analyses reveals significant differences in stellar parameters, which we investigate in detail. Our metallicities are, on average, lower by approx. 0.25 dex for red giants and approx. 0.04 dex for subgiants. Our sample contains 19 stars with [Fe/H] < -3.5, 84 stars with [Fe/H] < -3.0, and 210 stars with [Fe/H] < -2.5. Detailed abundances are presented here or elsewhere for 91% of the 209 stars with [Fe/H] < -2.5 as estimated from medium resolution spectroscopy by Beers, Preston, and Shectman. We will discuss the interpretation of these abundances in subsequent papers.

We present a candidate for the most distant galaxy known to date with a photometric redshift of z = 10.7+0.6−0.4 (95% confidence limits; with z < 9.5 galaxies of known types ruled out at 7.2σ). This J-dropout Lyman break galaxy, named MACS0647-JD, was discovered as part of the Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble (CLASH). We observe three magnified images of this galaxy due to strong gravitational lensing by the galaxy cluster MACSJ0647.7+7015 at z = 0.591. The images are magnified by factors of ∼80, 7, and 2, with the brighter two observed at ∼26th magnitude AB (∼0.15 μJy) in the WFC3/IR F160W filter (∼1.4–1.7 μm) where they are detected at ≳12σ. All three images are also confidently detected at ≳6σ in F140W (∼1.2–1.6 μm), dropping out of detection from 15 lower wavelength Hubble Space Telescope filters (∼0.2–1.4 μm), and lacking bright detections in Spitzer/IRAC 3.6 μm and 4.5 μm imaging (∼3.2–5.0 μm). We rule out a broad range of possible lower redshift interlopers, including some previously published as high-redshift candidates. Our high-redshift conclusion is more conservative than if we had neglected a Bayesian photometric redshift prior. Given CLASH observations of 17 high-mass clusters to date, our discoveries of MACS0647-JD at z ∼ 10.8 and MACS1149-JD at z ∼ 9.6 are consistent with a lensed luminosity function extrapolated from lower redshifts. This would suggest that low-luminosity galaxies could have reionized the universe. However, given the significant uncertainties based on only two galaxies, we cannot yet rule out the sharp drop-off in number counts at z ≳ 10 suggested by field searches.

Using observations from the FourStar Galaxy Evolution Survey (ZFOURGE), we obtain the deepest measurements to date of the galaxy stellar mass function (SMF) at 0.2 < z < 3. ZFOURGE provides well-constrained photometric redshifts made possible through deep medium-bandwidth imaging at 1–2 μm. We combine this with Hubble Space Telescope imaging from the Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey, allowing for the efficient selection of both blue and red galaxies down to stellar masses of ∼109.5 M☉ at z ∼ 2.5. The total surveyed area is 316 arcmin2 distributed over three independent fields. We supplement these data with the wider and shallower NEWFIRM Medium-Band Survey to provide stronger constraints at high masses. Several studies at z ⩽ 1.5 have revealed a steepening of the slope at the low-mass end of the SMF, leading to an upturn at masses <1010 M☉ that is not well described by a standard single-Schechter function. We find evidence that this feature extends to at least z ∼ 2 and that it can be found in both the star-forming and quiescent populations individually. The characteristic mass (M*) and slope at the lowest masses (α) of a double-Schechter function fit to the SMF stay roughly constant at Log(M/M☉) ∼ 10.65 and ∼ − 1.5, respectively. The SMF of star-forming galaxies has evolved primarily in normalization, while the change in shape is relatively minor. Our data allow us, for the first time, to observe a rapid buildup at the low-mass end of the quiescent SMF. Since z = 2.5, the total stellar mass density of quiescent galaxies (down to 109 M☉) has increased by a factor of ∼12, whereas the mass density of star-forming galaxies only increases by a factor of ∼2.2.

On 2017 August 17, Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a) was discovered as the optical counterpart of the binary neutron star gravitational wave event GW170817. We report time-series spectroscopy of SSS17a from 11.75 hours until 8.5 days after merger. Over the first hour of observations the ejecta rapidly expanded and cooled. Applying blackbody fits to the spectra, we measure the photosphere cooling from $11,000^{+3400}_{-900}$ K to $9300^{+300}_{-300}$ K, and determine a photospheric velocity of roughly 30% of the speed of light. The spectra of SSS17a begin displaying broad features after 1.46 days, and evolve qualitatively over each subsequent day, with distinct blue (early-time) and red (late-time) components. The late-time component is consistent with theoretical models of r-process-enriched neutron star ejecta, whereas the blue component requires high velocity, lanthanide-free material.

Growing observational evidence now indicates that nebular line emission has a significant impact on the rest-frame optical fluxes of z~5-7 galaxies observed with Spitzer. This line emission makes z~5-7 galaxies appear more massive, with lower specific star formation rates. However, corrections for this line emission have been very difficult to perform reliably due to huge uncertainties on the overall strength of such emission at z>~5.5. Here, we present the most direct observational evidence yet for ubiquitous high-EW [OIII]+Hbeta line emission in Lyman-break galaxies at z~7, while also presenting a strategy for an improved measurement of the sSFR at z~7. We accomplish this through the selection of bright galaxies in the narrow redshift window z~6.6-7.0 where the IRAC 4.5 micron flux provides a clean measurement of the stellar continuum light. Observed 4.5 micron fluxes in this window contrast with the 3.6 micron fluxes which are contaminated by the prominent [OIII]+Hbeta lines. To ensure a high S/N for our IRAC flux measurements, we consider only the brightest (H_{160}<26 mag) magnified galaxies we have identified in CLASH and other programs targeting galaxy clusters. Remarkably, the mean rest-frame optical color for our bright seven-source sample is very blue, [3.6]-[4.5]=-0.9+/-0.3. Such blue colors cannot be explained by the stellar continuum light and require that the rest-frame EW of [OIII]+Hbeta be greater than 637 Angstroms for the average source. The bluest four sources from our seven-source sample require an even more extreme EW of 1582 Angstroms. Our derived lower limit for the mean [OIII]+Hbeta EW could underestimate the true EW by ~2x based on a simple modeling of the redshift distribution of our sources. We can also set a robust lower limit of >~4 Gyr^-1 on the specific star formation rates based on the mean SED for our seven-source sample. (abridged)

The Inamori-Magellan Areal Camera and Spectrograph (IMACS) is a wide-field, multipurpose imaging spectrograph on the Magellan-Baade telescope at Las Campanas Observatory. IMACS has two channels—f/2 and f/4, each with an 8K × 8K pixel mosaic of CCD detectors, that service the widest range of capabilities of any major spectrograph. These include wide-field imaging at two scales, 0.20'' pixel-1 and 0.11'' pixel-1, single-object and multislit spectroscopy, integral-field spectroscopy with two 5'' × 7'' areas sampled at 0.20'' pixel-1 (Durham IFU), a multiobject echelle (MOE) capable of N ∼ 10 simultaneous full-wavelength R ≈ 20,000 spectra, the Maryland-Magellan Tunable Filter (MMTF), and an image-slicing reformatter for dense-pack multislit work (GISMO). Spectral resolutions of 8 < R < 5000 are available through a combination of prisms, grisms, and gratings, and most modes are instantly available in any given IMACS configuration. IMACS has a spectroscopic efficiency over 50% in f/2 multislit mode (instrument only) and, by the AΩ figure of merit (telescope primary surface area times instrument field of view), IMACS scores 5.7 m2 deg2, compared with 3.1 for VIMOS on VLT3 and with 2.0 for DEIMOS on Keck2. IMACS is the most versatile, and—for wide-field optical spectroscopy—the most powerful spectrograph on the planet.