The Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey (HerMES) is a legacy programme designed to map a set of nested fields totalling ∼380 deg2. Fields range in size from 0.01 to ∼20 deg2, using the Herschel-Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE) (at 250, 350 and 500 μm) and the Herschel-Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) (at 100 and 160 μm), with an additional wider component of 270 deg2 with SPIRE alone. These bands cover the peak of the redshifted thermal spectral energy distribution from interstellar dust and thus capture the reprocessed optical and ultraviolet radiation from star formation that has been absorbed by dust, and are critical for forming a complete multiwavelength understanding of galaxy formation and evolution.

The South Pole Telescope (SPT) is a 10 m diameter, wide-field, offset Gregorian telescope with a 966 pixel, multicolor, millimeter-wave, bolometer camera. It is located at the Amundsen-Scott South Pole station in Antarctica. The design of the SPT emphasizes careful control of spillover and scattering, to minimize noise and false signals due to ground pickup. The key initial project is a large-area survey at wavelengths of 3, 2, and 1.3 mm, to detect clusters of galaxies via the Sunyaev-Zel'dovich effect and to measure the small-scale angular power spectrum of the cosmic microwave background (CMB). The data will be used to characterize the primordial matter power spectrum and to place constraints on the equation of state of dark energy. A second-generation camera will measure the polarization of the CMB, potentially leading to constraints on the neutrino mass and the energy scale of inflation.

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.

Massive present-day early-type (elliptical and lenticular) galaxies probably gained the bulk of their stellar mass and heavy elements through intense, dust-enshrouded starbursts--that is, increased rates of star formation--in the most massive dark-matter haloes at early epochs. However, it remains unknown how soon after the Big Bang massive starburst progenitors exist. The measured redshift (z) distribution of dusty, massive starbursts has long been suspected to be biased low in z owing to selection effects, as confirmed by recent findings of systems with redshifts as high as ~5 (refs 2-4). Here we report the identification of a massive starburst galaxy at z = 6.34 through a submillimetre colour-selection technique. We unambiguously determined the redshift from a suite of molecular and atomic fine-structure cooling lines. These measurements reveal a hundred billion solar masses of highly excited, chemically evolved interstellar medium in this galaxy, which constitutes at least 40 per cent of the baryonic mass. A 'maximum starburst' converts the gas into stars at a rate more than 2,000 times that of the Milky Way, a rate among the highest observed at any epoch. Despite the overall downturn in cosmic star formation towards the highest redshifts, it seems that environments mature enough to form the most massive, intense starbursts existed at least as early as 880 million years after the Big Bang.

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.

Gravitational lensing is a powerful astrophysical and cosmological probe and is particularly valuable at submillimeter wavelengths for the study of the statistical and individual properties of dusty starforming galaxies. However the identification of gravitational lenses is often time-intensive, involving the sifting of large volumes of imaging or spectroscopic data to find few candidates. We used early data from the Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey to demonstrate that wide-area submillimeter surveys can simply and easily detect strong gravitational lensing events, with close to 100% efficiency.

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.