Candidates for the modest galaxies that formed most of the stars in the early universe, at redshifts $z > 7$, have been found in large numbers with extremely deep restframe-UV imaging. But it has proved difficult for existing spectrographs to characterise them in the UV. The detailed properties of these galaxies could be measured from dust and cool gas emission at far-infrared wavelengths if the galaxies have become sufficiently enriched in dust and metals. So far, however, the most distant UV-selected galaxy detected in dust emission is only at $z = 3.25$, and recent results have cast doubt on whether dust and molecules can be found in typical galaxies at this early epoch. Here we report thermal dust emission from an archetypal early universe star-forming galaxy, A1689-zD1. We detect its stellar continuum in spectroscopy and determine its redshift to be $z = 7.5\pm0.2$ from a spectroscopic detection of the Lyα break. A1689-zD1 is representative of the star-forming population during reionisation, with a total star-formation rate of about 12M$_\odot$ yr$^{-1}$. The galaxy is highly evolved: it has a large stellar mass, and is heavily enriched in dust, with a dust-to-gas ratio close to that of the Milky Way. Dusty, evolved galaxies are thus present among the fainter star-forming population at $z > 7$, in spite of the very short time since they first appeared.

We present a sensitive 870 micron survey of the Extended Chandra Deep Field South (ECDFS) using LABOCA on the APEX telescope. The LABOCA ECDFS Submillimetre Survey (LESS) covers the full 30' x 30' field size of the ECDFS and has a uniform noise level of 1.2 mJy/beam. LESS is thus the largest contiguous deep submillimetre survey undertaken to date. The noise properties of our map show clear evidence that we are beginning to be affected by confusion noise. We present a catalog of 126 SMGs detected with a significance level above 3.7 sigma. The ECDFS exhibits a deficit of bright SMGs relative to previously studied blank fields but not of normal star-forming galaxies that dominate the extragalactic background light (EBL). This is in line with the underdensities observed for optically defined high redshift source populations in the ECDFS (BzKs, DRGs,optically bright AGN and massive K-band selected galaxies). The differential source counts in the full field are well described by a power law with a slope of alpha=-3.2, comparable to the results from other fields. We show that the shape of the source counts is not uniform across the field. The integrated 870 micron flux densities of our source-count models account for >65% of the estimated EBL from COBE measurements. We have investigated the clustering of SMGs in the ECDFS by means of a two-point correlation function and find evidence for strong clustering on angular scales <1'. Assuming a power law dependence for the correlation function and a typical redshift distribution for the SMGs we derive a spatial correlation length of r_0=13+/-6 h^-1 Mpc.

We exploit ALMA 870um (345GHz) observations of submillimetre sources in the Extended Chandra Deep Field South to investigate the far-infrared properties of high-redshift submillimetre galaxies (SMGs). Using the precisely located 870um ALMA positions of 99 SMGs, together with 24um and radio imaging of this field, we deblend the Herschel/SPIRE imaging of this region to extract their far-infrared fluxes and colours. The median photometric redshifts for ALMA LESS (ALESS) SMGs which are detected in at least two SPIRE bands increases with wavelength of the peak in their SEDs, with z=2.3+/-0.2, 2.5+/-0.3 and 3.5+/-0.5 for the 250, 350 and 500-um peakers respectively. We find that 34 ALESS SMGs do not have a >3-sigma counterpart at 250, 350 or 500-um. These galaxies have a median photometric redshift of z=3.3+/-0.5, which is higher than the full ALESS SMG sample; z=2.5+/-0.2. Using the photometric redshifts together with the 250-870um photometry, we estimate the far-infrared luminosities and characteristic dust temperature of each SMG. The median infrared luminosity of the S_870um>2mJy SMGs is L_IR=(3.0+/-0.3)x10^{12}Lo(SFR=300+/-30Mo/yr). At a fixed luminosity, the characteristic dust temperature of these high-redshift SMGs is 2-3K lower than comparably luminous galaxies at z=0, reflecting the more extended star formation occurring in these systems. By extrapolating the 870um number counts to S_ 870um=1mJy, we show that the contribution of S_870um>1mJy SMGs to the cosmic star formation budget is 20% of the total over the redshift range z~1-4. We derive a median dust mass for these SMGs of M_d=(3.6+/-0.3)x10^8Mo and by adopting an appropriate gas-to-dust ratio, we estimate an average molecular mass of M_H2=(4.2+/-0.4)x10^{10}Mo. Finally, we use our estimates of the H2 masses to show that SMGs with S_870um>1mJy contain ~10% of the z~2 volume-averaged H2 mass density at this epoch.

We present a catalogue of nearly 3,000 submillimetre sources detected at 850um over ~5 square degrees surveyed as part of the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) SCUBA-2 Cosmology Legacy Survey (S2CLS). This is the largest survey of its kind at 850um, probing a meaningful cosmic volume at the peak of star formation activity and increasing the sample size of submillimetre galaxies selected at 850um by an order of magnitude. We describe the wide 850um survey component of S2CLS, which covers the key extragalactic survey fields: UKIDSS-UDS, COSMOS, Akari-NEP, Extended Groth Strip, Lockman Hole North, SSA22 and GOODS-North. The average 1-sigma depth of S2CLS is 1.2 mJy/beam, approaching the SCUBA-2 850um confusion limit, which we determine to be ~0.8 mJy/beam. We measure the single dish 850um number counts to unprecedented accuracy, reducing the Poisson errors on the differential counts to approximately 4% at S_850~3mJy. With several independent fields, we investigate field-to-field variance, finding that the number counts on 0.5-1 degree scales are generally within 50% of the S2CLS mean for S_850>3mJy, with scatter consistent with the Poisson and estimated cosmic variance uncertainties, although there is a marginal (2-sigma) density enhancement in the GOODS-North field. The observed number counts are in reasonable agreement with recent phenomenological and semi-analytic models. Finally, the large solid angle of S2CLS allows us to measure the bright-end counts: at S_850>10mJy there are approximately ten sources per square degree, and we detect the distinctive up-turn in the number counts indicative of the detection of local sources of 850um emission and strongly lensed high-redshift galaxies. Here we describe the data collection and reduction procedures and present calibrated maps and a catalogue of sources; these are made publicly available.

We present ALMA observations of the [C II] 158 micron fine structure line and dust continuum emission from the host galaxies of five redshift 6 quasars. We also report complementary observations of 250 GHz dust continuum and CO (6-5) line emission from the z=6.00 quasar SDSS J231038.88+185519.7. The ALMA observations were carried out in the extended array at 0.7" resolution. We have detected the line and dust continuum in all five objects. The derived [C II] line luminosities are 1.6x10^{9} to 8.8x10^{9} Lsun and the [C II]-to-FIR luminosity ratios are 3.0-5.6x10^{-4}, which is comparable to the values found in other high-redshift quasar-starburst systems and local ultra-luminous infrared galaxies. The sources are marginally resolved and the intrinsic source sizes (major axis FWHM) are constrained to be 0.3" to 0.6" (i.e., 1.7 to 3.5 kpc) for the [C II] line emission and 0.2" to 0.4" (i.e., 1.2 to 2.3 kpc) for the continuum. These measurements indicate that there is vigorous star formation over the central few kpc in the quasar host galaxies. The ALMA observations also constrain the dynamical properties of the atomic gas in the starburst nuclei. The intensity-weighted velocity maps of three sources show clear velocity gradients. Such velocity gradients are consistent with a rotating, gravitationally bound gas component, although they are not uniquely interpreted as such. Under the simplifying assumption of rotation, the implied dynamical masses within the [C II]-emitting regions are of order 10^{10} to 10^{11} Msun. Given these estimates, the mass ratios between the SMBHs and the spheroidal bulge are an order of magnitude higher than the mean value found in local spheroidal galaxies, which is in agreement with results from previous CO observations of high redshift quasars.

We report the first counts of faint submillimetre galaxies (SMG) in the 870-um band derived from arcsecond resolution observations with the Atacama Large Millimeter Array (ALMA). We have used ALMA to map a sample of 122 870-um-selected submillimetre sources drawn from the (0.5x0.5)deg^2 LABOCA Extended Chandra Deep Field South Submillimetre Survey (LESS). These ALMA maps have an average depth of sigma(870um)~0.4mJy, some ~3x deeper than the original LABOCA survey and critically the angular resolution is more than an order of magnitude higher, FWHM of ~1.5" compared to ~19" for the LABOCA discovery map. This combination of sensitivity and resolution allows us to precisely pin-point the SMGs contributing to the submillimetre sources from the LABOCA map, free from the effects of confusion. We show that our ALMA-derived SMG counts broadly agree with the submillimetre source counts from previous, lower-resolution single-dish surveys, demonstrating that the bulk of the submillimetre sources are not caused by blending of unresolved SMGs. The difficulty which well-constrained theoretical models have in reproducing the high-surface densities of SMGs, thus remains. However, our observations do show that all of the very brightest sources in the LESS sample, S(870um)>12mJy, comprise emission from multiple, fainter SMGs, each with 870-um fluxes of <9mJy. This implies a natural limit to the star-formation rate in SMGs of <10^3 M_Sun/yr, which in turn suggests that the space densities of z>1 galaxies with gas masses in excess of ~5x10^10 M_Sun is <10^-5 Mpc^-3. We also discuss the influence of this blending on the identification and characterisation of the SMG counterparts to these bright submillimetre sources and suggest that it may be responsible for previous claims that they lie at higher redshifts than fainter SMGs.

We present high-resolution (0.16$"$) 870um Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) imaging of 16 luminous (L_IR ~ 4 x 10^12 L_sun) submillimeter galaxies (SMGs) from the ALESS survey of the Extended Chandra Deep Field South. This dust imaging traces the dust-obscured star formation in these z~2.5 galaxies on ~1.3 kpc scales. The emission has a median effective radius of $R_e=0.24" \pm 0.02"$, corresponding to a typical physical size of $R_{e}=1.8\pm$0.2 kpc. We derive a median S\'ersic index of $n=0.9\pm0.2$, implying that the dust emission is remarkably disk-like at the current resolution and sensitivity. We use different weighting schemes with the visibilities to search for clumps on 0.12$"$ (~1.0 kpc) scales, but we find no significant evidence for clumping in the majority of cases. Indeed, we demonstrate using simulations that the observed morphologies are generally consistent with smooth exponential disks, suggesting that caution should be exercised when identifying candidate clumps in even moderate S/N interferometric data. We compare our maps to comparable-resolution HST H$_{160}$-band images, finding that the stellar morphologies appear significantly more extended and disturbed, and suggesting that major mergers may be responsible for driving the formation of the compact dust disks we observe. The stark contrast between the obscured and unobscured morphologies may also have implications for SED fitting routines that assume the dust is co-located with the optical/near-IR continuum emission. Finally, we discuss the potential of the current bursts of star formation to transform the observed galaxy sizes and light profiles, showing that the $z\sim0$ descendants of these SMGs are expected to have stellar masses, effective radii, and gas surface densities consistent with the most compact massive (M_* ~ 1-2 x 10^11 M_sun) early-type galaxies observed locally.

We present an Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) Cycle 0 survey of 126 submillimeter sources from the LABOCA ECDFS Submillimeter Survey (LESS). Our 870 micron survey with ALMA (ALESS) has produced maps ~3X deeper and with a beam area ~200X smaller than the original LESS observations, doubling the current number of interferometrically-observed submillimeter sources. The high resolution of these maps allows us to resolve sources that were previously blended and accurately identify the origin of the submillimeter emission. We discuss the creation of the ALESS submillimeter galaxy (SMG) catalog, including the main sample of 99 SMGs and a supplementary sample of 32 SMGs. We find that at least 35% (possibly up to 50%) of the detected LABOCA sources have been resolved into multiple SMGs, and that the average number of SMGs per LESS source increases with LESS flux density. Using the (now precisely known) SMG positions, we empirically test the theoretical expectation for the uncertainty in the single-dish source positions. We also compare our catalog to the previously predicted radio/mid-infrared counterparts, finding that 45% of the ALESS SMGs were missed by this method. Our ~1.6" resolution allows us to measure a size of ~9 kpc X 5 kpc for the rest-frame ~300 um emission region in one resolved SMG, implying a star formation rate surface density of 80 M_sol yr^-1 kpc^-2, and we constrain the emission regions in the remaining SMGs to be <10 kpc. As the first statistically reliable survey of SMGs, this will provide the basis for an unbiased multiwavelength study of SMG properties.

We present the first photometric redshift distribution for a large sample of 870 μm submillimeter galaxies (SMGs) with robust identifications based on observations with ALMA. In our analysis we consider 96 SMGs in the Extended Chandra Deep Field South, 77 of which have 4–19 band photometry. We model the SEDs for these 77 SMGs, deriving a median photometric redshift of zphot = 2.3 ± 0.1. The remaining 19 SMGs have insufficient photometry to derive photometric redshifts, but a stacking analysis of Herschel observations confirms they are not spurious. Assuming that these SMGs have an absolute H-band magnitude distribution comparable to that of a complete sample of z ∼ 1–2 SMGs, we demonstrate that they lie at slightly higher redshifts, raising the median redshift for SMGs to zphot = 2.5 ± 0.2. Critically we show that the proportion of galaxies undergoing an SMG-like phase at z ⩾ 3 is at most 35% ± 5% of the total population. We derive a median stellar mass of M⋆ = (8 ± 1) × 1010 M☉, although there are systematic uncertainties of up to 5 × for individual sources. Assuming that the star formation activity in SMGs has a timescale of ∼100 Myr, we show that their descendants at z ∼ 0 would have a space density and MH distribution that are in good agreement with those of local ellipticals. In addition, the inferred mass-weighted ages of the local ellipticals broadly agree with the look-back times of the SMG events. Taken together, these results are consistent with a simple model that identifies SMGs as events that form most of the stars seen in the majority of luminous elliptical galaxies at the present day.

Context . Cosmic dust is ubiquitous in astrophysical environments, where it significantly influences the chemistry and the spectra. Dust grains are likely to grow through the accretion of atoms and molecules from the gas-phase onto them. Despite their importance, only a few studies have computed the sticking coefficients for relevant temperatures and species, along with their direct impact on grain growth. Overall, the formation of dust and its growth are not well understood. Aims . This study is aimed at calculating the sticking coefficients, binding energies, and grain growth rates over a broad range of temperatures, for various gas species interacting with carbonaceous dust grains. Methods . We performed molecular dynamics simulations with a reactive force field algorithm to compute accurate sticking coefficients and obtain the binding energies. These results were used to build an astrophysical model of nucleation regions to study dust growth. Results . We present, for the first time, the sticking coefficients of H, H 2 , C, O, and CO on amorphous carbon structures for temperatures ranging from 50 K to 2250 K. In addition, we estimated the binding energies of H, C, and O in carbonaceous dust to calculate the thermal desorption rates. Combining accretion and desorption allows us to determine an effective accretion rate and sublimation temperature for carbonaceous dust. Conclusions . We find that sticking coefficients can differ substantially from what is commonly used in astrophysical models. This offers us new insights into carbonaceous dust grain growth via accretion in dust-forming regions.