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 present new arcminute-resolution maps of the Cosmic Microwave Background temperature and polarization anisotropy from the Atacama Cosmology Telescope, using data taken from 2013-2016 at 98 and 150 GHz. The maps cover more than 17,000 deg$^2$, the deepest 600 deg$^2$ with noise levels below 10 $\mu$K-arcmin. We use the power spectrum derived from almost 6,000 deg$^2$ of these maps to constrain cosmology. The ACT data enable a measurement of the angular scale of features in both the divergence-like polarization and the temperature anisotropy, tracing both the velocity and density at last-scattering. From these one can derive the distance to the last-scattering surface and thus infer the local expansion rate, $H_0$. By combining ACT data with large-scale information from WMAP we measure $H_0 = 67.6 \pm 1.1$ km/s/Mpc, at 68% confidence, in excellent agreement with the independently-measured Planck satellite estimate (from ACT alone we find $H_0 = 67.9 \pm 1.5$ km/s/Mpc). The $\Lambda$CDM model provides a good fit to the ACT data, and we find no evidence for deviations: both the spatial curvature, and the departure from the standard lensing signal in the spectrum, are zero to within 1$\sigma$; the number of relativistic species, the primordial Helium fraction, and the running of the spectral index are consistent with $\Lambda$CDM predictions to within $1.5 - 2.2\sigma$. We compare ACT, WMAP, and Planck at the parameter level and find good consistency; we investigate how the constraints on the correlated spectral index and baryon density parameters readjust when adding CMB large-scale information that ACT does not measure. The DR4 products presented here will be publicly released on the NASA Legacy Archive for Microwave Background Data Analysis.

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.

We report the results of an 87 square-degree point-source survey centered at R.A. 5h30m, decl. -55 deg. taken with the South Pole Telescope (SPT) at 1.4 and 2.0 mm wavelengths with arc-minute resolution and milli-Jansky depth. Based on the ratio of flux in the two bands, we separate the detected sources into two populations, one consistent with synchrotron emission from active galactic nuclei (AGN) and one consistent with thermal emission from dust. We present source counts for each population from 11 to 640 mJy at 1.4 mm and from 4.4 to 800 mJy at 2.0 mm. The 2.0 mm counts are dominated by synchrotron-dominated sources across our reported flux range; the 1.4 mm counts are dominated by synchroton-dominated sources above ~15 mJy and by dust-dominated sources below that flux level. We detect 141 synchrotron-dominated sources and 47 dust-dominated sources at S/N > 4.5 in at least one band. All of the most significantly detected members of the synchrotron-dominated population are associated with sources in previously published radio catalogs. Some of the dust-dominated sources are associated with nearby (z << 1) galaxies whose dust emission is also detected by the Infrared Astronomy Satellite (IRAS). However, most of the bright, dust-dominated sources have no counterparts in any existing catalogs. We argue that these sources represent the rarest and brightest members of the population commonly referred to as sub-millimeter galaxies (SMGs). Because these sources are selected at longer wavelengths than in typical SMG surveys, they are expected to have a higher mean redshift distribution and may provide a new window on galaxy formation in the early universe.

We present the temperature and polarization angular power spectra of the CMB measured by the Atacama Cosmology Telescope (ACT) from 5400 deg$^2$ of the 2013-2016 survey, which covers $>$15000 deg$^2$ at 98 and 150 GHz. For this analysis we adopt a blinding strategy to help avoid confirmation bias and, related to this, show numerous checks for systematic error done before unblinding. Using the likelihood for the cosmological analysis we constrain secondary sources of anisotropy and foreground emission, and derive a "CMB-only" spectrum that extends to $\ell=4000$. At large angular scales, foreground emission at 150 GHz is $\sim$1% of TT and EE within our selected regions and consistent with that found by Planck. Using the same likelihood, we obtain the cosmological parameters for $\Lambda$CDM for the ACT data alone with a prior on the optical depth of $\tau=0.065\pm0.015$. $\Lambda$CDM is a good fit. The best-fit model has a reduced $\chi^2$ of 1.07 (PTE=0.07) with $H_0=67.9\pm1.5$ km/s/Mpc. We show that the lensing BB signal is consistent with $\Lambda$CDM and limit the celestial EB polarization angle to $\psi_P =-0.07^{\circ}\pm0.09^{\circ}$. We directly cross correlate ACT with Planck and observe generally good agreement but with some discrepancies in TE. All data on which this analysis is based will be publicly released.

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 use South Pole Telescope data from 2008 and 2009 to detect the non-Gaussian signature in the cosmic microwave background (CMB) produced by gravitational lensing and to measure the power spectrum of the projected gravitational potential. We constrain the ratio of the measured amplitude of the lensing signal to that expected in a fiducial ΛCDM cosmological model to be 0.86 ± 0.16, with no lensing disfavored at 6.3σ. Marginalizing over ΛCDM cosmological models allowed by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP7) results in a measurement of Alens = 0.90 ± 0.19, indicating that the amplitude of matter fluctuations over the redshift range 0.5 ≲ z ≲ 5 probed by CMB lensing is in good agreement with predictions. We present the results of several consistency checks. These include a clear detection of the lensing signature in CMB maps filtered to have no overlap in Fourier space, as well as a "curl" diagnostic that is consistent with the signal expected for ΛCDM. We perform a detailed study of bias in the measurement due to noise, foregrounds, and other effects and determine that these contributions are relatively small compared to the statistical uncertainty in the measurement. We combine this lensing measurement with results from WMAP7 to improve constraints on cosmological parameters when compared to those from WMAP7 alone: we find a factor of 3.9 improvement in the measurement of the spatial curvature of the universe, Ωk = −0.0014 ± 0.0172; a 10% improvement in the amplitude of matter fluctuations within ΛCDM, σ8 = 0.810 ± 0.026; and a 5% improvement in the dark energy equation of state, w = −1.04 ± 0.40. When compared with the measurement of w provided by the combination of WMAP7 and external constraints on the Hubble parameter, the addition of the lensing data improves the measurement of w by 15% to give w = −1.087 ± 0.096.