▪ Abstract The Sunyaev-Zel'dovich effect (SZE) provides a unique way to map the large-scale structure of the universe as traced by massive clusters of galaxies. As a spectral distortion of the cosmic microwave background, the SZE is insensitive to the redshift of the galaxy cluster, making it well-suited for studies of clusters at all redshifts, and especially at reasonably high redshifts (z > 1) where the abundance of clusters is critically dependent on the underlying cosmology. Recent high signal-to-noise detections of the SZE have enabled interesting constraints on the Hubble constant and on the matter density of the universe using small samples of galaxy clusters. Upcoming SZE surveys are expected to find hundreds to thousands of new galaxy clusters, with a mass selection function that is remarkably uniform with redshift. In this review we provide an overview of the SZE and its use for cosmological studies, with emphasis on the cosmology that can, in principle, be extracted from SZE survey yields. We discuss the observational and theoretical challenges that must be met before precise cosmological constraints can be extracted from the survey yields.

We present a catalog of galaxy clusters selected via their Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect signature from 2500 deg$^2$ of South Pole Telescope (SPT) data. This work represents the complete sample of clusters detected at high significance in the 2500-square-degree SPT-SZ survey, which was completed in 2011. A total of 677 (409) cluster candidates are identified above a signal-to-noise threshold of $\xi$ =4.5 (5.0). Ground- and space-based optical and near-infrared (NIR) imaging confirms overdensities of similarly colored galaxies in the direction of 516 (or 76%) of the $\xi$>4.5 candidates and 387 (or 95%) of the $\xi$>5 candidates; the measured purity is consistent with expectations from simulations. Of these confirmed clusters, 415 were first identified in SPT data, including 251 new discoveries reported in this work. We estimate photometric redshifts for all candidates with identified optical and/or NIR counterparts; we additionally report redshifts derived from spectroscopic observations for 141 of these systems. The mass threshold of the catalog is roughly independent of redshift above $z$~0.25 leading to a sample of massive clusters that extends to high redshift. The median mass of the sample is $M_{\scriptsize 500c}(\rho_\mathrm{crit})$ ~ 3.5 x 10$^{14} M_\odot h^{-1}$, the median redshift is $z_{med}$ =0.55, and the highest-redshift systems are at $z$>1.4. The combination of large redshift extent, clean selection, and high typical mass makes this cluster sample of particular interest for cosmological analyses and studies of cluster formation and evolution.

We describe the design of a new polarization sensitive receiver, SPT-3G, for the 10-meter South Pole Telescope (SPT). The SPT-3G receiver will deliver a factor of ~20 improvement in mapping speed over the current receiver, SPTpol. The sensitivity of the SPT-3G receiver will enable the advance from statistical detection of B-mode polarization anisotropy power to high signal-to-noise measurements of the individual modes, i.e., maps. This will lead to precise (~0.06 eV) constraints on the sum of neutrino masses with the potential to directly address the neutrino mass hierarchy. It will allow a separation of the lensing and inflationary B-mode power spectra, improving constraints on the amplitude and shape of the primordial signal, either through SPT-3G data alone or in combination with BICEP-2/KECK, which is observing the same area of sky. The measurement of small-scale temperature anisotropy will provide new constraints on the epoch of reionization. Additional science from the SPT-3G survey will be significantly enhanced by the synergy with the ongoing optical Dark Energy Survey (DES), including: a 1% constraint on the bias of optical tracers of large-scale structure, a measurement of the differential Doppler signal from pairs of galaxy clusters that will test General Relativity on ~200 Mpc scales, and improved cosmological constraints from the abundance of clusters of galaxies.

We present a measurement of the cosmic microwave background (CMB) temperature power spectrum using data from the recently completed South Pole Telescope Sunyaev–Zel'dovich (SPT-SZ) survey. This measurement is made from observations of 2540 deg2 of sky with arcminute resolution at 150 GHz, and improves upon previous measurements using the SPT by tripling the sky area. We report CMB temperature anisotropy power over the multipole range 650 < ℓ < 3000. We fit the SPT bandpowers, combined with the 7 yr Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP7) data, with a six-parameter ΛCDM cosmological model and find that the two datasets are consistent and well fit by the model. Adding SPT measurements significantly improves ΛCDM parameter constraints; in particular, the constraint on θs tightens by a factor of 2.7. The impact of gravitational lensing is detected at 8.1σ, the most significant detection to date. This sensitivity of the SPT+WMAP7 data to lensing by large-scale structure at low redshifts allows us to constrain the mean curvature of the observable universe with CMB data alone to be . Using the SPT+WMAP7 data, we measure the spectral index of scalar fluctuations to be ns = 0.9623 ± 0.0097 in the ΛCDM model, a 3.9σ preference for a scale-dependent spectrum with ns < 1. The SPT measurement of the CMB damping tail helps break the degeneracy that exists between the tensor-to-scalar ratio r and ns in large-scale CMB measurements, leading to an upper limit of r < 0.18 (95% C.L.) in the ΛCDM+r model. Adding low-redshift measurements of the Hubble constant (H0) and the baryon acoustic oscillation (BAO) feature to the SPT+WMAP7 data leads to further improvements. The combination of SPT+WMAP7+H0+BAO constrains ns = 0.9538 ± 0.0081 in the ΛCDM model, a 5.7σ detection of ns < 1, and places an upper limit of r < 0.11 (95% C.L.) in the ΛCDM+r model. These new constraints on ns and r have significant implications for our understanding of inflation, which we discuss in the context of selected single-field inflation models.

Gravitational lensing of the cosmic microwave background generates a curl pattern in the observed polarization. This "B-mode" signal provides a measure of the projected mass distribution over the entire observable Universe and also acts as a contaminant for the measurement of primordial gravity-wave signals. In this Letter we present the first detection of gravitational lensing B modes, using first-season data from the polarization-sensitive receiver on the South Pole Telescope (SPTpol). We construct a template for the lensing B-mode signal by combining E-mode polarization measured by SPTpol with estimates of the lensing potential from a Herschel-SPIRE map of the cosmic infrared background. We compare this template to the B modes measured directly by SPTpol, finding a non-zero correlation at 7.7 sigma significance. The correlation has an amplitude and scale-dependence consistent with theoretical expectations, is robust with respect to analysis choices, and constitutes the first measurement of a powerful cosmological observable.

Using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, we have conducted a blind redshift survey in the 3 mm atmospheric transmission window for 26 strongly lensed dusty star-forming galaxies (DSFGs) selected with the South Pole Telescope. The sources were selected to have S1.4 mm > 20 mJy and a dust-like spectrum and, to remove low-z sources, not have bright radio (S843 MHz < 6 mJy) or far-infrared counterparts (S100 μm < 1 Jy, S60 μm < 200 mJy). We robustly detect 44 line features in our survey, which we identify as redshifted emission lines of 12CO, 13CO, C i, H2O, and H2O+. We find one or more spectral features in 23 sources yielding a ∼90% detection rate for this survey; in 12 of these sources we detect multiple lines, while in 11 sources we detect only a single line. For the sources with only one detected line, we break the redshift degeneracy with additional spectroscopic observations if available, or infer the most likely line identification based on photometric data. This yields secure redshifts for ∼70% of the sample. The three sources with no lines detected are tentatively placed in the redshift desert between 1.7 < z < 2.0. The resulting mean redshift of our sample is = 3.5. This finding is in contrast to the redshift distribution of radio-identified DSFGs, which have a significantly lower mean redshift of = 2.3 and for which only 10%–15% of the population is expected to be at z > 3. We discuss the effect of gravitational lensing on the redshift distribution and compare our measured redshift distribution to that of models in the literature.

We present a detection-significance-limited catalog of 21 Sunyaev-Zel'dovich selected galaxy clusters. These clusters, along with 1 unconfirmed candidate, were identified in 178 deg^2 of sky surveyed in 2008 by the South Pole Telescope to a depth of 18 uK-arcmin at 150 GHz. Optical imaging from the Blanco Cosmology Survey (BCS) and Magellan telescopes provided photometric (and in some cases spectroscopic) redshift estimates, with catalog redshifts ranging from z=0.15 to z>1, with a median z = 0.74. Of the 21 confirmed galaxy clusters, three were previously identified as Abell clusters, three were presented as SPT discoveries in Staniszewski et al, 2009, and three were first identified in a recent analysis of BCS data by Menanteau et al, 2010; the remaining 12 clusters are presented for the first time in this work. Simulated observations of the SPT fields predict the sample to be nearly 100% complete above a mass threshold of M_200 ~ 5x10^14 M_sun/h at z = 0.6. This completeness threshold pushes to lower mass with increasing redshift, dropping to ~4x10^14 M_sun/h at z=1. The size and redshift distribution of this catalog are in good agreement with expectations based on our current understanding of galaxy clusters and cosmology. In combination with other cosmological probes, we use the cluster catalog to improve estimates of cosmological parameters. Assuming a standard spatially flat wCDM cosmological model, the addition of our catalog to the WMAP 7-year analysis yields sigma_8 = 0.81 +- 0.09 and w = -1.07 +- 0.29, a ~50% improvement in precision on both parameters over WMAP7 alone.

We present a catalog of galaxy cluster candidates, selected through their Sunyaev–Zel'dovich (SZ) effect signature in the first 720 deg2 of the South Pole Telescope (SPT) survey. This area was mapped with the SPT in the 2008 and 2009 austral winters to a depth of ∼18 μKCMB-arcmin at 150 GHz; 550 deg2 of it was also mapped to ∼44 μKCMB-arcmin at 95 GHz. Based on optical imaging of all 224 candidates and near-infrared imaging of the majority of candidates, we have found optical and/or infrared counterparts for 158, which we then classify as confirmed galaxy clusters. Of these 158 clusters, 135 were first identified as clusters in SPT data, including 117 new discoveries reported in this work. This catalog triples the number of confirmed galaxy clusters discovered through the SZ effect. We report photometrically derived (and in some cases spectroscopic) redshifts for confirmed clusters and redshift lower limits for the remaining candidates. The catalog extends to high redshift with a median redshift of z = 0.55 and maximum confirmed redshift of z = 1.37. Forty-five of the clusters have counterparts in the ROSAT bright or faint source catalogs from which we estimate X-ray fluxes. Based on simulations, we expect the catalog to be nearly 100% complete above M500 ≈ 5 × 1014 M☉ h−170 at z ≳ 0.6. There are 121 candidates detected at signal-to-noise ratio greater than five, at which the catalog purity is measured to be 95%. From this high-purity subsample, we exclude the z < 0.3 clusters and use the remaining 100 candidates to improve cosmological constraints following the method presented by Benson et al. Adding the cluster data to CMB + BAO + H0 data leads to a preference for non-zero neutrino masses while only slightly reducing the upper limit on the sum of neutrino masses to ∑mν < 0.38 eV (95% CL). For a spatially flat wCDM cosmological model, the addition of this catalog to the CMB + BAO + H0 + SNe results yields σ8 = 0.807 ± 0.027 and w = −1.010 ± 0.058, improving the constraints on these parameters by a factor of 1.4 and 1.3, respectively. The larger cluster catalog presented in this work leads to slight improvements in cosmological constraints from those presented by Benson et al. These cosmological constraints are currently limited by uncertainty in the cluster mass calibration, not the size or quality of the cluster catalog. A multi-wavelength observation program to improve the cluster mass calibration will make it possible to realize the full potential of the final 2500 deg2 SPT cluster catalog to constrain cosmology.