(Abridged) The Large Area Telescope (Fermi/LAT, hereafter LAT), the primary instrument on the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) mission, is an imaging, wide field-of-view, high-energy gamma-ray telescope, covering the energy range from below 20 MeV to more than 300 GeV. This paper describes the LAT, its pre-flight expected performance, and summarizes the key science objectives that will be addressed. On-orbit performance will be presented in detail in a subsequent paper. The LAT is a pair-conversion telescope with a precision tracker and calorimeter, each consisting of a 4x4 array of 16 modules, a segmented anticoincidence detector that covers the tracker array, and a programmable trigger and data acquisition system. Each tracker module has a vertical stack of 18 x,y tracking planes, including two layers (x and y) of single-sided silicon strip detectors and high-Z converter material (tungsten) per tray. Every calorimeter module has 96 CsI(Tl) crystals, arranged in an 8 layer hodoscopic configuration with a total depth of 8.6 radiation lengths. The aspect ratio of the tracker (height/width) is 0.4 allowing a large field-of-view (2.4 sr). Data obtained with the LAT are intended to (i) permit rapid notification of high-energy gamma-ray bursts (GRBs) and transients and facilitate monitoring of variable sources, (ii) yield an extensive catalog of several thousand high-energy sources obtained from an all-sky survey, (iii) measure spectra from 20 MeV to more than 50 GeV for several hundred sources, (iv) localize point sources to 0.3 - 2 arc minutes, (v) map and obtain spectra of extended sources such as SNRs, molecular clouds, and nearby galaxies, (vi) measure the diffuse isotropic gamma-ray background up to TeV energies, and (vii) explore the discovery space for dark matter.

We present the third Fermi Large Area Telescope (LAT) source catalog (3FGL) of sources in the 100 MeV–300 GeV range. Based on the first 4 yr of science data from the Fermi Gamma-ray Space Telescope mission, it is the deepest yet in this energy range. Relative to the Second Fermi LAT catalog, the 3FGL catalog incorporates twice as much data, as well as a number of analysis improvements, including improved calibrations at the event reconstruction level, an updated model for Galactic diffuse γ-ray emission, a refined procedure for source detection, and improved methods for associating LAT sources with potential counterparts at other wavelengths. The 3FGL catalog includes 3033 sources above significance, with source location regions, spectral properties, and monthly light curves for each. Of these, 78 are flagged as potentially being due to imperfections in the model for Galactic diffuse emission. Twenty-five sources are modeled explicitly as spatially extended, and overall 238 sources are considered as identified based on angular extent or correlated variability (periodic or otherwise) observed at other wavelengths. For 1010 sources we have not found plausible counterparts at other wavelengths. More than 1100 of the identified or associated sources are active galaxies of the blazar class; several other classes of non-blazar active galaxies are also represented in the 3FGL. Pulsars represent the largest Galactic source class. From source counts of Galactic sources we estimate that the contribution of unresolved sources to the Galactic diffuse emission is ∼3% at 1 GeV.

We present the second catalog of high-energy gamma-ray sources detected by the Large Area Telescope (LAT), the primary science instrument on the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi), derived from data taken during the first 24 months of the science phase of the mission, which began on 2008 August 4. Source detection is based on the average flux over the 24-month period. The Second Fermi-LAT catalog (2FGL) includes source location regions, defined in terms of elliptical fits to the 95% confidence regions and spectral fits in terms of power-law, exponentially cutoff power-law, or log-normal forms. Also included are flux measurements in 5 energy bands and light curves on monthly intervals for each source. Twelve sources in the catalog are modeled as spatially extended. We provide a detailed comparison of the results from this catalog with those from the first Fermi-LAT catalog (1FGL). Although the diffuse Galactic and isotropic models used in the 2FGL analysis are improved compared to the 1FGL catalog, we attach caution flags to 162 of the sources to indicate possible confusion with residual imperfections in the diffuse model. The 2FGL catalog contains 1873 sources detected and characterized in the 100 MeV to 100 GeV range of which we consider 127 as being firmly identified and 1170 as being reliably associated with counterparts of known or likely gamma-ray-producing source classes.

We present the fourth Fermi Large Area Telescope catalog (4FGL) of gamma-ray sources. Based on the first eight years of science data from the Fermi Gamma-ray Space Telescope mission in the energy range from 50 MeV to 1 TeV, it is the deepest yet in this energy range. Relative to the 3FGL catalog, the 4FGL catalog has twice as much exposure as well as a number of analysis improvements, including an updated model for the Galactic diffuse gamma-ray emission, and two sets of light curves (1-year and 2-month intervals). The 4FGL catalog includes 5064 sources above 4 sigma significance, for which we provide localization and spectral properties. Seventy-five sources are modeled explicitly as spatially extended, and overall 358 sources are considered as identified based on angular extent, periodicity or correlated variability observed at other wavelengths. For 1336 sources we have not found plausible counterparts at other wavelengths. More than 3130 of the identified or associated sources are active galaxies of the blazar class, and 239 are pulsars.

Designed as a high-sensitivity gamma-ray observatory, the Fermi Large Area Telescope is also an electron detector with a large acceptance exceeding 2 m;{2} sr at 300 GeV. Building on the gamma-ray analysis, we have developed an efficient electron detection strategy which provides sufficient background rejection for measurement of the steeply falling electron spectrum up to 1 TeV. Our high precision data show that the electron spectrum falls with energy as E-3.0 and does not exhibit prominent spectral features. Interpretations in terms of a conventional diffusive model as well as a potential local extra component are briefly discussed.

(Abridged) We have conducted a detailed investigation of the broad-band spectral properties of the \gamma-ray selected blazars of the Fermi LAT Bright AGN Sample (LBAS). By combining our accurately estimated Fermi gamma-ray spectra with Swift, radio, infra-red, optical and other hard X-ray/gamma-ray data, collected within three months of the LBAS data taking period, we were able to assemble high-quality and quasi-simultaneous Spectral Energy Distributions (SED) for 48 LBAS blazars.The SED of these gamma-ray sources is similar to that of blazars discovered at other wavelengths, clearly showing, in the usual Log $\nu $ - Log $\nu$ F$_\nu$ representation, the typical broad-band spectral signatures normally attributed to a combination of low-energy synchrotron radiation followed by inverse Compton emission of one or more components. We have used these SEDs to characterize the peak intensity of both the low and the high-energy components. The results have been used to derive empirical relationships that estimate the position of the two peaks from the broad-band colors (i.e. the radio to optical and optical to X-ray spectral slopes) and from the gamma-ray spectral index. Our data show that the synchrotron peak frequency $\nu_p^S$ is positioned between 10$^{12.5}$ and 10$^{14.5}$ Hz in broad-lined FSRQs and between $10^{13}$ and $10^{17}$ Hz in featureless BL Lacertae objects.We find that the gamma-ray spectral slope is strongly correlated with the synchrotron peak energy and with the X-ray spectral index, as expected at first order in synchrotron - inverse Compton scenarios. However, simple homogeneous, one-zone, Synchrotron Self Compton (SSC) models cannot explain most of our SEDs, especially in the case of FSRQs and low energy peaked (LBL) BL Lacs. (...)

This catalog summarizes 117 high-confidence ⩾0.1 GeV gamma-ray pulsar detections using three years of data acquired by the Large Area Telescope (LAT) on the Fermi satellite. Half are neutron stars discovered using LAT data through periodicity searches in gamma-ray and radio data around LAT unassociated source positions. The 117 pulsars are evenly divided into three groups: millisecond pulsars, young radio-loud pulsars, and young radio-quiet pulsars. We characterize the pulse profiles and energy spectra and derive luminosities when distance information exists. Spectral analysis of the off-peak phase intervals indicates probable pulsar wind nebula emission for four pulsars, and off-peak magnetospheric emission for several young and millisecond pulsars. We compare the gamma-ray properties with those in the radio, optical, and X-ray bands. We provide flux limits for pulsars with no observed gamma-ray emission, highlighting a small number of gamma-faint, radio-loud pulsars. The large, varied gamma-ray pulsar sample constrains emission models. Fermi's selection biases complement those of radio surveys, enhancing comparisons with predicted population distributions.

The γ-ray sky can be decomposed into individually detected sources, diffuse emission attributed to the interactions of Galactic cosmic rays with gas and radiation fields, and a residual all-sky emission component commonly called the isotropic diffuse γ-ray background (IGRB). The IGRB comprises all extragalactic emissions too faint or too diffuse to be resolved in a given survey, as well as any residual Galactic foregrounds that are approximately isotropic. The first IGRB measurement with the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) used 10 months of sky-survey data and considered an energy range between 200 MeV and 100 GeV. Improvements in event selection and characterization of cosmic-ray backgrounds, better understanding of the diffuse Galactic emission (DGE), and a longer data accumulation of 50 months allow for a refinement and extension of the IGRB measurement with the LAT, now covering the energy range from 100 MeV to 820 GeV. The IGRB spectrum shows a significant high-energy cutoff feature and can be well described over nearly four decades in energy by a power law with exponential cutoff having a spectral index of 2.32 ± 0.02 and a break energy of (279 ± 52) GeV using our baseline DGE model. The total intensity attributed to the IGRB is (7.2 ± 0.6) × 10−6 cm−2 s−1 sr−1 above 100 MeV, with an additional +15%/−30% systematic uncertainty due to the Galactic diffuse foregrounds.

The gamma-ray sky >100 MeV is dominated by the diffuse emissions from interactions of cosmic rays with the interstellar gas and radiation fields of the Milky Way. Observations of these diffuse emissions provide a tool to study cosmic-ray origin and propagation, and the interstellar medium. We present measurements from the first 21 months of the Fermi-LAT mission and compare with models of the diffuse gamma-ray emission generated using the GALPROP code. The models are fitted to cosmic-ray data and incorporate astrophysical input for the distribution of cosmic-ray sources, interstellar gas and radiation fields. To assess uncertainties associated with the astrophysical input, a grid of models is created by varying within observational limits the distribution of cosmic-ray sources, the size of the cosmic-ray confinement volume (halo), and the distribution of interstellar gas. An all-sky maximum-likelihood fit is used to determine the Xco-factor, the ratio between integrated CO-line intensity and molecular hydrogen column density, the fluxes and spectra of the gamma-ray point sources from the first Fermi-LAT catalogue, and the intensity and spectrum of the isotropic background including residual cosmic rays that were misclassified as gamma rays, all of which have some dependency on the assumed diffuse emission model. The models are compared on the basis of their maximum likelihood ratios as well as spectra, longitude, and latitude profiles. We also provide residual maps for the data following subtraction of the diffuse emission models. The models are consistent with the data at high and intermediate latitudes but under-predict the data in the inner Galaxy for energies above a few GeV. Possible explanations for this discrepancy are discussed, including the contribution by undetected point source populations and spectral variations of cosmic rays throughout the Galaxy. [Abridged]

Gamma-ray bursts (GRBs) are highly energetic explosions signaling the death of massive stars in distant galaxies. The Gamma-ray Burst Monitor and Large Area Telescope onboard the Fermi Observatory together record GRBs over a broad energy range spanning about 7 decades of gammaray energy. In September 2008, Fermi observed the exceptionally luminous GRB 080916C, with the largest apparent energy release yet measured. The high-energy gamma rays are observed to start later and persist longer than the lower energy photons. A simple spectral form fits the entire GRB spectrum, providing strong constraints on emission models. The known distance of the burst enables placing lower limits on the bulk Lorentz factor of the outflow and on the quantum gravity mass.