The Simons Observatory (SO) is a new cosmic microwave background experiment being built on Cerro Toco in Chile, due to begin observations in the early 2020s. We describe the scientific goals of the experiment, motivate the design, and forecast its performance. SO will measure the temperature and polarization anisotropy of the cosmic microwave background in six frequency bands centered at: 27, 39, 93, 145, 225 and 280 GHz. The initial configuration of SO will have three small-aperture 0.5-m telescopes and one large-aperture 6-m telescope, with a total of 60,000 cryogenic bolometers. Our key science goals are to characterize the primordial perturbations, measure the number of relativistic species and the mass of neutrinos, test for deviations from a cosmological constant, improve our understanding of galaxy evolution, and constrain the duration of reionization. The small aperture telescopes will target the largest angular scales observable from Chile, mapping ≈ 10% of the sky to a white noise level of 2 μK-arcmin in combined 93 and 145 GHz bands, to measure the primordial tensor-to-scalar ratio, r , at a target level of σ( r )=0.003. The large aperture telescope will map ≈ 40% of the sky at arcminute angular resolution to an expected white noise level of 6 μK-arcmin in combined 93 and 145 GHz bands, overlapping with the majority of the Large Synoptic Survey Telescope sky region and partially with the Dark Energy Spectroscopic Instrument. With up to an order of magnitude lower polarization noise than maps from the Planck satellite, the high-resolution sky maps will constrain cosmological parameters derived from the damping tail, gravitational lensing of the microwave background, the primordial bispectrum, and the thermal and kinematic Sunyaev-Zel'dovich effects, and will aid in delensing the large-angle polarization signal to measure the tensor-to-scalar ratio. The survey will also provide a legacy catalog of 16,000 galaxy clusters and more than 20,000 extragalactic sources.

We present constraints on cosmological and astrophysical parameters from high-resolution microwave background maps at 148 GHz and 218 GHz made by the Atacama Cosmology Telescope (ACT) in three seasons of observations from 2008 to 2010. A model of primary cosmological and secondary foreground parameters is fit to the map power spectra and lensing deflection power spectrum, including contributions from both the thermal Sunyaev-Zeldovich (tSZ) effect and the kinematic Sunyaev-Zeldovich (kSZ) effect, Poisson and correlated anisotropy from unresolved infrared sources, radio sources, and the correlation between the tSZ effect and infrared sources. The power ℓ2Cℓ/2π of the thermal SZ power spectrum at 148 GHz is measured to be 3.4±1.4 μK2at ℓ = 3000, while the corresponding amplitude of the kinematic SZ power spectrum has a 95% confidence level upper limit of 8.6 μK2. Combining ACT power spectra with the WMAP 7-year temperature and polarization power spectra, we find excellent consistency with the LCDM model. We constrain the number of effective relativistic degrees of freedom in the early universe to be Neff = 2.79±0.56, in agreement with the canonical value of Neff = 3.046 for three massless neutrinos. We constrain the sum of the neutrino masses to be Σmν < 0.39 eV at 95% confidence when combining ACT and WMAP 7-year data with BAO and Hubble constant measurements. We constrain the amount of primordial helium to be Yp = 0.225±0.034, and measure no variation in the fine structure constant α since recombination, with α/α0 = 1.004±0.005. We also find no evidence for any running of the scalar spectral index, dns/dln k = −0.004±0.012.

We present cosmological parameters derived from the angular power spectrum of the cosmic microwave background (CMB) radiation observed at 148 GHz and 218 GHz over 296 deg2 with the Atacama Cosmology Telescope (ACT) during its 2008 season. ACT measures fluctuations at scales 500 < ℓ < 10, 000. We fit a model for the lensed CMB, Sunyaev–Zel'dovich (SZ), and foreground contribution to the 148 GHz and 218 GHz power spectra, including thermal and kinetic SZ, Poisson power from radio and infrared point sources, and clustered power from infrared point sources. At ℓ = 3000, about half the power at 148 GHz comes from primary CMB after masking bright radio sources. The power from thermal and kinetic SZ is estimated to be , where . The IR Poisson power at 148 GHz is (Cℓ = 5.5 ± 0.5 nK2), and a clustered IR component is required with , assuming an analytic model for its power spectrum shape. At 218 GHz only about 15% of the power, approximately 27 μK2, is CMB anisotropy at ℓ = 3000. The remaining 85% is attributed to IR sources (approximately 50% Poisson and 35% clustered), with spectral index α = 3.69 ± 0.14 for flux scaling as S(ν)∝να. We estimate primary cosmological parameters from the less contaminated 148 GHz spectrum, marginalizing over SZ and source power. The ΛCDM cosmological model is a good fit to the data (χ2/dof = 29/46), and ΛCDM parameters estimated from ACT+Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) are consistent with the seven-year WMAP limits, with scale invariant ns = 1 excluded at 99.7% confidence level (CL) (3σ). A model with no CMB lensing is disfavored at 2.8σ. By measuring the third to seventh acoustic peaks, and probing the Silk damping regime, the ACT data improve limits on cosmological parameters that affect the small-scale CMB power. The ACT data combined with WMAP give a 6σ detection of primordial helium, with YP = 0.313 ± 0.044, and a 4σ detection of relativistic species, assumed to be neutrinos, with Neff = 5.3 ± 1.3 (4.6 ± 0.8 with BAO+H0 data). From the CMB alone the running of the spectral index is constrained to be dns/dln k = −0.034 ± 0.018, the limit on the tensor-to-scalar ratio is r < 0.25 (95% CL), and the possible contribution of Nambu cosmic strings to the power spectrum is constrained to string tension Gμ < 1.6 × 10−7 (95% CL).

[Abridged] We present a catalog of 68 galaxy clusters, of which 19 are new discoveries, detected via the Sunyaev-Zel'dovich effect (SZ) at 148 GHz in the Atacama Cosmology Telescope (ACT) survey of 504 square degrees on the celestial equator. A subsample of 48 clusters within the 270 square degree region overlapping SDSS Stripe 82 is estimated to be 90% complete for M_500c > 4.5e14 Msun and 0.15 < z < 0.8. While matched filters are used to detect the clusters, the sample is studied further through a "Profile Based Amplitude Analysis" using a single filter at a fixed θ_500 = 5.9' angular scale. This new approach takes advantage of the "Universal Pressure Profile" (UPP) to fix the relationship between the cluster characteristic size (R_500) and the integrated Compton parameter (Y_500). The UPP scalings are found to be nearly identical to an adiabatic model, while a model incorporating non-thermal pressure better matches dynamical mass measurements and masses from the South Pole Telescope. A high signal to noise ratio subsample of 15 ACT clusters is used to obtain cosmological constraints. We first confirm that constraints from SZ data are limited by uncertainty in the scaling relation parameters rather than sample size or measurement uncertainty. We next add in seven clusters from the ACT Southern survey, including their dynamical mass measurements based on galaxy velocity dispersions. In combination with WMAP7 these data simultaneously constrain the scaling relation and cosmological parameters, yielding σ_8 = 0.829 \pm 0.024 and Ω_m = 0.292 \pm 0.025. The results include marginalization over a 15% bias in dynamical mass relative to the true halo mass. In an extension to LCDM that incorporates non-zero neutrino mass density, we combine our data with WMAP7+BAO+Hubble constant measurements to constrain Σm_ν< 0.29 eV (95% C. L.).

We present the temperature power spectra of the cosmic microwave background (CMB) derived from the three seasons of data from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) at 148 GHz and 218 GHz, as well as the cross-frequency spectrum between the two channels. We detect and correct for contamination due to the Galactic cirrus in our equatorial maps. We present the results of a number of tests for possible systematic error and conclude that any effects are not significant compared to the statistical errors we quote. Where they overlap, we cross-correlate the ACT and the South Pole Telescope (SPT) maps and show they are consistent. The measurements of higher-order peaks in the CMB power spectrum provide an additional test of the Lambda CDM cosmological model, and help constrain extensions beyond the standard model. The small angular scale power spectrum also provides constraining power on the Sunyaev-Zel'dovich effects and extragalactic foregrounds. We also present a measurement of the CMB gravitational lensing convergence power spectrum at 4.6-sigma detection significance.

We report on 23 clusters detected blindly as Sunyaev–ZEL'DOVICH (SZ) decrements in a 148 GHz, 455 deg2 map of the southern sky made with data from the Atacama Cosmology Telescope 2008 observing season. All SZ detections announced in this work have confirmed optical counterparts. Ten of the clusters are new discoveries. One newly discovered cluster, ACT-CL J0102−4915, with a redshift of 0.75 (photometric), has an SZ decrement comparable to the most massive systems at lower redshifts. Simulations of the cluster recovery method reproduce the sample purity measured by optical follow-up. In particular, for clusters detected with a signal-to-noise ratio greater than six, simulations are consistent with optical follow-up that demonstrated this subsample is 100% pure. The simulations further imply that the total sample is 80% complete for clusters with mass in excess of 6 × 1014 solar masses referenced to the cluster volume characterized by 500 times the critical density. The Compton y–X-ray luminosity mass comparison for the 11 best-detected clusters visually agrees with both self-similar and non-adiabatic, simulation-derived scaling laws.

We present the temperature and polarization angular power spectra measured by the Atacama Cosmology Telescope Polarimeter (ACTPol). We analyze night-time data collected during 2013-14 using two detector arrays at 149 GHz, from 548 deg$^2$ of sky on the celestial equator. We use these spectra, and the spectra measured with the MBAC camera on ACT from 2008-10, in combination with Planck and WMAP data to estimate cosmological parameters from the temperature, polarization, and temperature-polarization cross-correlations. We find the new ACTPol data to be consistent with the LCDM model. The ACTPol temperature-polarization cross-spectrum now provides stronger constraints on multiple parameters than the ACTPol temperature spectrum, including the baryon density, the acoustic peak angular scale, and the derived Hubble constant. Adding the new data to planck temperature data tightens the limits on damping tail parameters, for example reducing the joint uncertainty on the number of neutrino species and the primordial helium fraction by 20%.

High-redshift radio(-loud) galaxies (H$z$RGs) are massive galaxies with powerful radio-loud active galactic nuclei (AGNs) and serve as beacons for protocluster identification. However, the interplay between H$z$RGs and the large-scale environment remains unclear. To understand the connection between H$z$RGs and the surrounding obscured star formation, we investigated the overdensity and spatial distribution of submillimeter-bright galaxies (SMGs) in the field of 4C\,23.56, a well-known H$z$RG at $z=2.48$. We used SCUBA-2 data ($ sim \,0.6$\,mJy) to estimate the m m $ sources in the vicinity of the H$z$RG. The angular distribution of SMGs is inhomogeneous around the H$z$RG 4C\,23.56, with fewer sources oriented along the radio jet. We also find a significant overdensity of bright SMGs S m Faint and bright SMGs exhibit different spatial distributions. The former are concentrated in the core region, while the latter prefer the outskirts of the H$z$RG field. High-resolution observations show that the seven brightest SMGs in our sample are intrinsically bright, suggesting that the overdensity of bright SMGs is less likely due to the source multiplicity.

Abstract In this paper, we present the results of a blind survey for compact sources in 243 Galaxy clusters that were identified using the thermal Sunyaev–Zel'dovich effect (tSZ). The survey was carried out at 90 GHz using MUSTANG2 on the Green Bank Telescope and achieved a 5 σ detection limit of 1 mJy in the center of each cluster. We detected 24 discrete sources. The majority (18) of these correspond to known radio sources, and of these, five show signs of significant variability, either with time or in spectral index. The remaining sources have no clear counterparts at other wavelengths. Searches for galaxy clusters via the tSZ strongly rely on observations at 90 GHz, and the sources found have the potential to bias mass estimates of clusters. We compare our results to the Websky simulation that can be used to estimate the source contamination in galaxy cluster catalogs. While the simulation shows a good match to our observations at the clusters’ centers, it does not match our source distribution further out. Sources over 104″ from a cluster’s center bias the tSZ signal high, for some of the sources found, by over 50%. When averaged over the whole cluster population, the effect is smaller but still at a level of 1%–2%. We also discovered that unlike previous measurements and simulations, we see an enhancement of source counts in the outer regions of the clusters and fewer sources than expected in the centers of this tSZ-selected sample.

Abstract The Simons Observatory will map the temperature and polarization over half of the sky at millimeter wavelengths in six spectral bands from the Atacama Desert in Chile. These data will provide new insights into the genesis, content, and history of our Universe, the astrophysics of galaxies and galaxy clusters, objects in our solar system, and time-varying astrophysical phenomena. This ambitious new instrument suite, initially comprising three 0.5 m diameter small aperture telescopes and one 6 m diameter large aperture telescope, is designed using a common combination of new technologies and new implementations to realize an observatory significantly more sensitive than the previous generation. In this paper, we present the predeployment performance of the first mid-frequency “optics tube,” which will be fielded on the large aperture telescope with sensitivity to the 90 and 150 GHz spectral bands. This optics tube contains lenses, filters, detectors, and readout components, all of which operate at cryogenic temperatures. It is one of seven that form the core of the large aperture telescope receiver in its initial deployment. We describe this optics tube, including details of comprehensive testing methods, new techniques for beam and passband characterization, and its measured performance. The performance metrics include beams, optical efficiency, passbands, and forecasts for the on-sky performance of the system. We forecast a sensitivity that exceeds the requirements of the large aperture telescope with greater than 30% margin in each spectral band and predict that the instrument will realize diffraction-limited performance and the expected detector passbands.