We present PHIBSS, the IRAM Plateau de Bure high-z blue sequence CO 3-2 survey of the molecular gas properties in normal star forming galaxies (SFGs) near the cosmic star formation peak. PHIBSS provides 52 CO detections in two redshift slices at z~1.2 and 2.2, with log(M*(M_solar))>10.4 and log(SFR(M_solar/yr))>1.5. Including a correction for the incomplete coverage of the M*-SFR plane, we infer average gas fractions of ~0.33 at z~1.2 and ~0.47 at z~2.2. Gas fractions drop with stellar mass, in agreement with cosmological simulations including strong star formation feedback. Most of the z~1-3 SFGs are rotationally supported turbulent disks. The sizes of CO and UV/optical emission are comparable. The molecular gas - star formation relation for the z=1-3 SFGs is near-linear, with a ~0.7 Gyrs gas depletion timescale; changes in depletion time are only a secondary effect. Since this timescale is much less than the Hubble time in all SFGs between z~0 and 2, fresh gas must be supplied with a fairly high duty cycle over several billion years. At given z and M*, gas fractions correlate strongly with the specific star formation rate. The variation of specific star formation rate between z~0 and 3 is mainly controlled by the fraction of baryonic mass that resides in cold gas.

Two main modes of star formation are know to control the growth of galaxies: a relatively steady one in disk-like galaxies, defining a tight star formation rate (SFR)–stellar mass sequence, and a starburst mode in outliers to such a sequence which is generally interpreted as driven by merging. Such starburst galaxies are rare but have much higher SFRs, and it is of interest to establish the relative importance of these two modes. PACS/Herschel observations over the whole COSMOS and GOODS-South fields, in conjunction with previous optical/near-IR data, have allowed us to accurately quantify for the first time the relative contribution of the two modes to the global SFR density in the redshift interval 1.5 < z < 2.5, i.e., at the cosmic peak of the star formation activity. The logarithmic distributions of galaxy SFRs at fixed stellar mass are well described by Gaussians, with starburst galaxies representing only a relatively minor deviation that becomes apparent for SFRs more than four times higher than on the main sequence. Such starburst galaxies represent only 2% of mass-selected star-forming galaxies and account for only 10% of the cosmic SFR density at z ∼ 2. Only when limited to SFR > 1000 M☉ yr−1, off-sequence sources significantly contribute to the SFR density (46% ± 20%). We conclude that merger-driven starbursts play a relatively minor role in the formation of stars in galaxies, whereas they may represent a critical phase toward the quenching of star formation and morphological transformation in galaxies.

We analyze the dependence of galaxy structure (size and Sersic index) and mode of star formation (\Sigma_SFR and SFR_IR/SFR_UV) on the position of galaxies in the SFR versus Mass diagram. Our sample comprises roughly 640000 galaxies at z~0.1, 130000 galaxies at z~1, and 36000 galaxies at z~2. Structural measurements for all but the z~0.1 galaxies were based on HST imaging, and SFRs are derived using a Herschel-calibrated ladder of SFR indicators. We find that a correlation between the structure and stellar population of galaxies (i.e., a 'Hubble sequence') is already in place since at least z~2.5. At all epochs, typical star-forming galaxies on the main sequence are well approximated by exponential disks, while the profiles of quiescent galaxies are better described by de Vaucouleurs profiles. In the upper envelope of the main sequence, the relation between the SFR and Sersic index reverses, suggesting a rapid build-up of the central mass concentration in these starbursting outliers. We observe quiescent, moderately and highly star-forming systems to co-exist over an order of magnitude or more in stellar mass. At each mass and redshift, galaxies on the main sequence have the largest size. The rate of size growth correlates with specific SFR, and so does \Sigma_SFR at each redshift. A simple model using an empirically determined SF law and metallicity scaling, in combination with an assumed geometry for dust and stars is able to relate the observed \Sigma_SFR and SFR_IR/SFR_UV, provided a more patchy dust geometry is assumed for high-redshift galaxies.

This paper provides an update of our previous scaling relations (Genzel et al.2015) between galaxy integrated molecular gas masses, stellar masses and star formation rates, in the framework of the star formation main-sequence (MS), with the main goal to test for possible systematic effects. For this purpose our new study combines three independent methods of determining molecular gas masses from CO line fluxes, far-infrared dust spectral energy distributions, and ~1mm dust photometry, in a large sample of 1444 star forming galaxies (SFGs) between z=0 and 4. The sample covers the stellar mass range log(M*/M_solar)=9.0-11.8, and star formation rates relative to that on the MS, delta_MS=SFR/SFR(MS), from 10^{-1.3} to 10^{2.2}. Our most important finding is that all data sets, despite the different techniques and analysis methods used, follow the same scaling trends, once method-to-method zero point offsets are minimized and uncertainties are properly taken into account. The molecular gas depletion time t_depl, defined as the ratio of molecular gas mass to star formation rate, scales as (1+z)^{-0.6}x(delta_MS)^{-0.44}, and is only weakly dependent on stellar mass. The ratio of molecular-to-stellar mass mu_gas depends on (1+z)^{2.5}x (delta_MS)^{0.52}x(M*)^{-0.36}, which tracks the evolution of the specific star formation rate. The redshift dependence of mu_gas requires a curvature term, as may the mass-dependences of t_depl and mu_gas. We find no or only weak correlations of t_depl and mu_gas with optical size R or surface density once one removes the above scalings, but we caution that optical sizes may not be appropriate for the high gas and dust columns at high-z.

We combine molecular gas masses inferred from CO emission in 500 star-forming galaxies (SFGs) between z = 0 and 3, from the IRAM-COLDGASS, PHIBSS1/2, and other surveys, with gas masses derived from Herschel far-IR dust measurements in 512 galaxy stacks over the same stellar mass/redshift range. We constrain the scaling relations of molecular gas depletion timescale (tdepl) and gas to stellar mass ratio (Mmol gas/M*) of SFGs near the star formation "main-sequence" with redshift, specific star-formation rate (sSFR), and stellar mass (M*). The CO- and dust-based scaling relations agree remarkably well. This suggests that the CO → H2 mass conversion factor varies little within ±0.6 dex of the main sequence (sSFR(ms, z, M*)), and less than 0.3 dex throughout this redshift range. This study builds on and strengthens the results of earlier work. We find that tdepl scales as (1 + z)−0.3 × (sSFR/sSFR(ms, z, M*))−0.5, with little dependence on M*. The resulting steep redshift dependence of Mmol gas/M* ≈ (1 + z)3 mirrors that of the sSFR and probably reflects the gas supply rate. The decreasing gas fractions at high M* are driven by the flattening of the SFR–M* relation. Throughout the probed redshift range a combination of an increasing gas fraction and a decreasing depletion timescale causes a larger sSFR at constant M*. As a result, galaxy integrated samples of the Mmol gas–SFR rate relation exhibit a super-linear slope, which increases with the range of sSFR. With these new relations it is now possible to determine Mmol gas with an accuracy of ±0.1 dex in relative terms, and ±0.2 dex including systematic uncertainties.

Spectroscopic+photometric redshifts, stellar mass estimates, and rest-frame colors from the 3D-HST survey are combined with structural parameter measurements from CANDELS imaging to determine the galaxy size–mass distribution over the redshift range 0 < z < 3. Separating early- and late-type galaxies on the basis of star-formation activity, we confirm that early-type galaxies are on average smaller than late-type galaxies at all redshifts, and we find a significantly different rate of average size evolution at fixed galaxy mass, with fast evolution for the early-type population, Reff∝(1 + z)−1.48, and moderate evolution for the late-type population, Reff∝(1 + z)−0.75. The large sample size and dynamic range in both galaxy mass and redshift, in combination with the high fidelity of our measurements due to the extensive use of spectroscopic data, not only fortify previous results but also enable us to probe beyond simple average galaxy size measurements. At all redshifts the slope of the size–mass relation is shallow, , for late-type galaxies with stellar mass >3 × 109 M☉, and steep, , for early-type galaxies with stellar mass >2 × 1010 M☉. The intrinsic scatter is ≲0.2 dex for all galaxy types and redshifts. For late-type galaxies, the logarithmic size distribution is not symmetric but is skewed toward small sizes: at all redshifts and masses, a tail of small late-type galaxies exists that overlaps in size with the early-type galaxy population. The number density of massive (∼1011 M☉), compact (Reff < 2 kpc) early-type galaxies increases from z = 3 to z = 1.5–2 and then strongly decreases at later cosmic times.

[Abridged] We present the evolution of the stellar mass function (SMF) of galaxies from z=4.0 to z=1.3 measured from a sample constructed from the deep NIR MUSYC, the FIRES, and the GOODS-CDFS surveys, all having very high-quality optical to mid-infrared data. This sample, unique in that it combines data from surveys with a large range of depths and areas in a self-consistent way, allowed us to 1) minimize the uncertainty due to cosmic variance and empirically quantify its contribution to the total error budget; 2) simultaneously probe the high-mass end and the low-mass end (down to ~0.05 times the characteristic stellar mass) of the SMF with good statistics; and 3) empirically derive the redshift-dependent completeness limits in stellar mass. We provide, for the first time, a comprehensive analysis of random and systematic uncertainties affecting the derived SMFs. We find that the mass density evolves by a factor of ~17(+7,-10) since z=4.0, mostly driven by a change in the normalization Phi*. If only random errors are taken into account, we find evidence for mass-dependent evolution, with the low-mass end evolving more rapidly than the high-mass end. However, we show that this result is no longer robust when systematic uncertainties due to the SED-modeling assumptions are taken into account. Taking our results at face value, we find that they are in conflict with semi-analytic models of galaxy formation. The models predict SMFs that are in general too steep, with too many low-mass galaxies and too few high-mass galaxies. The discrepancy at the high-mass end is susceptible to uncertainties in the models and the data, but the discrepancy at the low-mass end may be more difficult to explain.

We present the KMOS^3D survey, a new integral field survey of over 600 galaxies at 0.71$, implying that the star-forming 'main sequence' (MS) is primarily composed of rotating galaxies at both redshift regimes. When considering additional stricter criteria, the Halpha kinematic maps indicate at least ~70% of the resolved galaxies are disk-like systems. Our high-quality KMOS data confirm the elevated velocity dispersions reported in previous IFS studies at z>0.7. For rotation-dominated disks, the average intrinsic velocity dispersion decreases by a factor of two from 50 km/s at z~2.3 to 25 km/s at z~0.9 while the rotational velocities at the two redshifts are comparable. Combined with existing results spanning z~0-3, disk velocity dispersions follow an approximate (1+z) evolution that is consistent with the dependence of velocity dispersion on gas fractions predicted by marginally-stable disk theory.