Ten years ago, the discovery that the expansion of the universe is accelerating put in place the last major building block of the present cosmological model, in which the universe is composed of 4% baryons, 20% dark matter, and 76% dark energy. At the same time, it posed one of the most profound mysteries in all of science, with deep connections to both astrophysics and particle physics. Cosmic acceleration could arise from the repulsive gravity of dark energy—for example, the quantum energy of the vacuum—or it may signal that general relativity (GR) breaks down on cosmological scales and must be replaced. We review the present observational evidence for cosmic acceleration and what it has revealed about dark energy, discuss the various theoretical ideas that have been proposed to explain acceleration, and describe the key observational probes that will shed light on this enigma in the coming years.

We present cosmological results from a combined analysis of galaxy clustering and weak gravitational lensing, using 1321 deg$^2$ of $griz$ imaging data from the first year of the Dark Energy Survey (DES Y1). We combine three two-point functions: (i) the cosmic shear correlation function of 26 million source galaxies in four redshift bins, (ii) the galaxy angular autocorrelation function of 650,000 luminous red galaxies in five redshift bins, and (iii) the galaxy-shear cross-correlation of luminous red galaxy positions and source galaxy shears. To demonstrate the robustness of these results, we use independent pairs of galaxy shape, photometric redshift estimation and validation, and likelihood analysis pipelines. To prevent confirmation bias, the bulk of the analysis was carried out while blind to the true results; we describe an extensive suite of systematics checks performed and passed during this blinded phase. The data are modeled in flat $\Lambda$CDM and $w$CDM cosmologies, marginalizing over 20 nuisance parameters, varying 6 (for $\Lambda$CDM) or 7 (for $w$CDM) cosmological parameters including the neutrino mass density and including the 457 $\times$ 457 element analytic covariance matrix. We find consistent cosmological results from these three two-point functions, and from their combination obtain $S_8 \equiv \sigma_8 (\Omega_m/0.3)^{0.5} = 0.783^{+0.021}_{-0.025}$ and $\Omega_m = 0.264^{+0.032}_{-0.019}$ for $\Lambda$CDM for $w$CDM, we find $S_8 = 0.794^{+0.029}_{-0.027}$, $\Omega_m = 0.279^{+0.043}_{-0.022}$, and $w=-0.80^{+0.20}_{-0.22}$ at 68% CL. The precision of these DES Y1 results rivals that from the Planck cosmic microwave background measurements, allowing a comparison of structure in the very early and late Universe on equal terms. Although the DES Y1 best-fit values for $S_8$ and $\Omega_m$ are lower than the central values from Planck ...

This overview paper describes the legacy prospect and discovery potential of the Dark Energy Survey (DES) beyond cosmological studies, illustrating it with examples from the DES early data.DES is using a wide-field camera (DECam) on the 4 m Blanco Telescope in Chile to image 5000 sq deg of the sky in five filters (grizY).

We study the effect of primordial non-Gaussianity on large-scale structure, focusing upon the most massive virialized objects. Using analytic arguments and $N$-body simulations, we calculate the mass function and clustering of dark matter halos across a range of redshifts and levels of non-Gaussianity. We propose a simple fitting function for the mass function valid across the entire range of our simulations. We find pronounced effects of non-Gaussianity on the clustering of dark matter halos, leading to strongly scale-dependent bias. This suggests that the large-scale clustering of rare objects may provide a sensitive probe of primordial non-Gaussianity. We very roughly estimate that upcoming surveys can constrain non-Gaussianity at the level of $|{f}_{\mathrm{NL}}|\ensuremath{\lesssim}10$, which is competitive with forecasted constraints from the microwave background.

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

We use 26×106 galaxies from the Dark Energy Survey (DES) Year 1 shape catalogs over 1321 deg2 of the sky to produce the most significant measurement of cosmic shear in a galaxy survey to date. We constrain cosmological parameters in both the flat ΛCDM and the wCDM models, while also varying the neutrino mass density. These results are shown to be robust using two independent shape catalogs, two independent photo-z calibration methods, and two independent analysis pipelines in a blind analysis. We find a 3.5% fractional uncertainty on σ8(Ωm/0.3)0.5=0.782+0.027−0.027 at 68% C.L., which is a factor of 2.5 improvement over the fractional constraining power of our DES Science Verification results. In wCDM, we find a 4.8% fractional uncertainty on σ8(Ωm/0.3)0.5=0.777+0.036−0.038 and a dark energy equation-of-state w=−0.95+0.33−0.39. We find results that are consistent with previous cosmic shear constraints in σ8—Ωm, and we see no evidence for disagreement of our weak lensing data with data from the cosmic microwave background. Finally, we find no evidence preferring a wCDM model allowing w≠−1. We expect further significant improvements with subsequent years of DES data, which will more than triple the sky coverage of our shape catalogs and double the effective integrated exposure time per galaxy.12 MoreReceived 2 August 2017Corrected 28 August 2018DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.043528© 2018 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasAstrophysical studies of gravityCosmological constantCosmological parametersEvolution of the UniverseGravitationGravitational lensesLarge scale structure of the UniverseSky surveysGravitation, Cosmology & Astrophysics

We describe the first public data release of the Dark Energy Survey, DES DR1, consisting of reduced single-epoch images, co-added images, co-added source catalogs, and associated products and services assembled over the first 3 yr of DES science operations. DES DR1 is based on optical/near-infrared imaging from 345 distinct nights (2013 August to 2016 February) by the Dark Energy Camera mounted on the 4 m Blanco telescope at the Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile. We release data from the DES wide-area survey covering ∼5000 deg2 of the southern Galactic cap in five broad photometric bands, grizY. DES DR1 has a median delivered point-spread function of , r = 0.96, i = 0.88, z = 0.84, and Y = 090 FWHM, a photometric precision of <1% in all bands, and an astrometric precision of 151 . The median co-added catalog depth for a 195 diameter aperture at signal-to-noise ratio (S/N) = 10 is g = 24.33, r = 24.08, i = 23.44, z = 22.69, and Y = 21.44 . DES DR1 includes nearly 400 million distinct astronomical objects detected in ∼10,000 co-add tiles of size 0.534 deg2 produced from ∼39,000 individual exposures. Benchmark galaxy and stellar samples contain ∼310 million and ∼80 million objects, respectively, following a basic object quality selection. These data are accessible through a range of interfaces, including query web clients, image cutout servers, jupyter notebooks, and an interactive co-add image visualization tool. DES DR1 constitutes the largest photometric data set to date at the achieved depth and photometric precision.

The presence of dark energy in the Universe is inferred directly from the accelerated expansion of the Universe, and, indirectly, from measurements of cosmic microwave background (CMB) anisotropy. Dark energy contributes about two-thirds of the critical density, is smoothly distributed, has large negative pressure, and is very mysterious. For now, all of its discernible cosmological consequences follow from its effect on the expansion rate of the Universe. Absent a compelling theoretical model (or even a class of models), we describe the dark energy by its equation of state ${w=p}_{X}/{\ensuremath{\rho}}_{X}$ which is allowed to vary with time. We describe and compare different approaches for determining $w(t),$ including a magnitude-redshift (Hubble) diagram, number counts of galaxies and clusters, and CMB anisotropy. We focus particular attention on the use of a sample of several thousand type Ia supernova with redshifts $z\ensuremath{\lesssim}1.7,$ as might be gathered by the proposed SNAP satellite. Among other things, we derive optimal strategies for constraining cosmological parameters using type Ia supernovae. The redshift range $z\ensuremath{\simeq}0.2\ensuremath{-}2$ has the most leverage for probing ${w}_{X};$ supernovae and number counts appear to have the most potential to probe dark energy. Because the expansion rate depends upon both $w(t)$ and ${\ensuremath{\Omega}}_{M},$ an independent measurement of the matter density is critical for obtaining the most information about dark energy from cosmological observations.

The large-angle (low-l) correlations of the cosmic microwave background exhibit several statistically significant anomalies compared to the standard inflationary cosmology. We show that the quadrupole plane and the three octopole planes are far more aligned than previously thought (99.9% C.L.). Three of these planes are orthogonal to the ecliptic at 99.1% C.L., and the normals to these planes are aligned at 99.6% C.L. with the direction of the cosmological dipole and with the equinoxes. The remaining octopole plane is orthogonal to the supergalactic plane at 99.6% C.L.

Distance measurements to type Ia supernovae (SNe Ia) indicate that the Universe is accelerating and that two-thirds of the critical energy density exists in a dark-energy component with negative pressure. Distance measurements to SNe Ia can be used to distinguish between different possibilities for the dark energy, and if it is an evolving scalar field, to reconstruct the scalar-field potential. We derive the reconstruction equations and address the feasibility of this approach by Monte Carlo simulation.