The Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) is designed to document the first third of galactic evolution, over the approximate redshift (z) range 8--1.5. It will image >250,000 distant galaxies using three separate cameras on the Hubble Space Telescope, from the mid-ultraviolet to the near-infrared, and will find and measure Type Ia supernovae at z>1.5 to test their accuracy as standardizable candles for cosmology. Five premier multi-wavelength sky regions are selected, each with extensive ancillary data. The use of five widely separated fields mitigates cosmic variance and yields statistically robust and complete samples of galaxies down to a stellar mass of 10^9 M_\odot to z \approx 2, reaching the knee of the ultraviolet luminosity function (UVLF) of galaxies to z \approx 8. The survey covers approximately 800 arcmin^2 and is divided into two parts. The CANDELS/Deep survey (5\sigma\ point-source limit H=27.7 mag) covers \sim 125 arcmin^2 within GOODS-N and GOODS-S. The CANDELS/Wide survey includes GOODS and three additional fields (EGS, COSMOS, and UDS) and covers the full area to a 5\sigma\ point-source limit of H \gtrsim 27.0 mag. Together with the Hubble Ultra Deep Fields, the strategy creates a three-tiered "wedding cake" approach that has proven efficient for extragalactic surveys. Data from the survey are nonproprietary and are useful for a wide variety of science investigations. In this paper, we describe the basic motivations for the survey, the CANDELS team science goals and the resulting observational requirements, the field selection and geometry, and the observing design. The Hubble data processing and products are described in a companion paper.

This paper describes the Hubble Space Telescope imaging data products and data reduction procedures for the Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS). This survey is designed to document the evolution of galaxies and black holes at $z\sim1.5-8$, and to study Type Ia SNe beyond $z>1.5$. Five premier multi-wavelength sky regions are selected, each with extensive multiwavelength observations. The primary CANDELS data consist of imaging obtained in the Wide Field Camera 3 / infrared channel (WFC3/IR) and UVIS channel, along with the Advanced Camera for Surveys (ACS). The CANDELS/Deep survey covers \sim125 square arcminutes within GOODS-N and GOODS-S, while the remainder consists of the CANDELS/Wide survey, achieving a total of \sim800 square arcminutes across GOODS and three additional fields (EGS, COSMOS, and UDS). We summarize the observational aspects of the survey as motivated by the scientific goals and present a detailed description of the data reduction procedures and products from the survey. Our data reduction methods utilize the most up to date calibration files and image combination procedures. We have paid special attention to correcting a range of instrumental effects, including CTE degradation for ACS, removal of electronic bias-striping present in ACS data after SM4, and persistence effects and other artifacts in WFC3/IR. For each field, we release mosaics for individual epochs and eventual mosaics containing data from all epochs combined, to facilitate photometric variability studies and the deepest possible photometry. A more detailed overview of the science goals and observational design of the survey are presented in a companion paper.

ABSTRACT ALMA Cycle 2 observations of long-wavelength dust emission in 145 star-forming galaxies are used to probe the evolution of the star-forming interstellar medium (ISM). We also develop a physical basis and empirical calibration (with 72 low- z and z ∼ 2 galaxies) for using the dust continuum as a quantitative probe of ISM masses. The galaxies with the highest star formation rates (SFRs) at   = 2.2 and 4.4 have gas masses up to 100 times that of the Milky Way and gas mass fractions reaching 50%–80%, i.e., gas masses 1-4× their stellar masses. We find a single high- z star formation law:   M mol 0.89 × ( 1 + z ) z = 2 0.95 × ( sSFR ) MS 0.23 ?>   yr −1 —an approximately linear dependence on the ISM mass and an increased star formation efficiency per unit gas mass at higher redshift. Galaxies above the main sequence (MS) have larger gas masses but are converting their ISM into stars on a timescale only slightly shorter than those on the MS; thus, these “starbursts” are largely the result of having greatly increased gas masses rather than an increased efficiency of converting gas to stars. At z > 1, the entire population of star-forming galaxies has ∼2–5 times shorter gas depletion times than low- z galaxies. These shorter depletion times indicate a different mode of star formation in the early universe—most likely dynamically driven by compressive, high-dispersion gas motions—a natural consequence of the high gas accretion rates.

We present maps, source catalogue and number counts of the largest, most complete and unbiased extragalactic submillimetre survey: the 850-μm SCUBA Half-Degree Extragalactic Survey (SHADES). Using the Submillimetre Common-User Bolometer Array (SCUBA) on the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), SHADES mapped two separate regions of sky: the Subaru/XMM–Newton Deep Field (SXDF) and the Lockman Hole East (LH). Encompassing 93 per cent of the overall acquired data (i.e. data taken up to 2004 February 1), these SCUBA maps cover 720 arcmin2 with a rms noise level of about 2 mJy and have uncovered >100 submillimetre galaxies. In order to ensure the utmost robustness of the resulting source catalogue, data reduction was independently carried out by four subgroups within the SHADES team, providing an unprecedented degree of reliability with respect to other SCUBA catalogues available from the literature. Individual source lists from the four groups were combined to produce a robust 120-object SHADES catalogue; an invaluable resource for follow-up campaigns aiming to study the properties of a complete and consistent sample of submillimetre galaxies. For the first time, we present deboosted flux densities for each submillimetre galaxy found in a large survey. Extensive simulations and tests were performed separately by each group in order to confirm the robustness of the source candidates and to evaluate the effects of false detections, completeness and flux density boosting. Corrections for these effects were then applied to the data to derive the submillimetre galaxy source counts. SHADES has a high enough number of detected sources that meaningful differential counts can be estimated, unlike most submillimetre surveys which have to consider integral counts. We present differential and integral source number counts and find that the differential counts are better fit with a broken power law or a Schechter function than with a single power law; the SHADES data alone significantly show that a break is required at several mJy, although the precise position of the break is not well constrained. We also find that a 850-μm survey complete down to 2 mJy would resolve 20–30 per cent of the far-infrared background into point sources.

We present the results of the first, deep Atacama Large Millimeter Array (ALMA) imaging covering the full ≃4.5 arcmin2 of the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) imaged with Wide Field Camera 3/IR on HST. Using a 45-pointing mosaic, we have obtained a homogeneous 1.3-mm image reaching σ1.3 ≃ 35 μJy, at a resolution of ≃0.7 arcsec. From an initial list of ≃50 > 3.5σ peaks, a rigorous analysis confirms 16 sources with S1.3 > 120 μJy. All of these have secure galaxy counterparts with robust redshifts (〈z〉 = 2.15). Due to the unparalleled supporting data, the physical properties of the ALMA sources are well constrained, including their stellar masses (M*) and UV+FIR star formation rates (SFR). Our results show that stellar mass is the best predictor of SFR in the high-redshift Universe; indeed at z ≥ 2 our ALMA sample contains seven of the nine galaxies in the HUDF with M* ≥ 2 × 1010 M⊙, and we detect only one galaxy at z > 3.5, reflecting the rapid drop-off of high-mass galaxies with increasing redshift. The detections, coupled with stacking, allow us to probe the redshift/mass distribution of the 1.3-mm background down to S1.3 ≃ 10 μJy. We find strong evidence for a steep star-forming ‘main sequence’ at z ≃ 2, with SFR ∝M* and a mean specific SFR ≃ 2.2 Gyr−1. Moreover, we find that ≃85 per cent of total star formation at z ≃ 2 is enshrouded in dust, with ≃65 per cent of all star formation at this epoch occurring in high-mass galaxies (M* > 2 × 1010 M⊙), for which the average obscured:unobscured SF ratio is ≃200. Finally, we revisit the cosmic evolution of SFR density; we find this peaks at z ≃ 2.5, and that the star-forming Universe transits from primarily unobscured to primarily obscured at z ≃ 4.

We present deep mid-IR spectroscopy with Spitzer of 13 SMGs in the GOODS-N field. We find strong PAH emission in all of our targets, which allows us to measure mid-IR spectroscopic redshifts and place constraints on the contribution from star formation and AGN activity to the mid-IR emission. In the high-S/N composite spectrum, we find that the hot dust continuum from an AGN contributes at most 30% of the mid-IR luminosity. Individually, only 2/13 SMGs have continuum emission dominating the mid-IR luminosity; one of these SMGs, C1, remains undetected in the deep X-ray images but shows a steeply rising continuum in the mid-IR indicative of a Compton-thick AGN. We find that the mid-IR properties of SMGs are distinct from those of 24 μm-selected ULIRGs at z ∼ 2; the former are predominantly dominated by star formation, while the latter are a more heterogeneous sample with many showing significant AGN activity. We fit the IRS spectrum and the mid-IR to radio photometry of SMGs with template SEDs to determine the best estimate of the total IR luminosity from star formation. While many SMGs contain an AGN as evinced by their X-ray properties, our multiwavelength analysis shows that the total IR luminosity, LIR, in SMGs is dominated by star formation. We find that high-redshift SMGs lie on the relation between LIR and LPAH ,6.2 (or LPAH ,7.7 or LPAH ,11.3) that has been established for local starburst galaxies. This suggests that PAH luminosity can be used as a proxy for the SFR in SMGs. SMGs are consistent with being a short-lived cool phase in a massive merger where the AGN does not appear to have become strong enough to heat the dust and dominate the mid- or far-IR emission.

We present spectral energy distributions (SEDs), Spitzer colours, and infrared (IR) luminosities for 850-μm selected galaxies in the Great Observatories Origins Deep Survey Northern (GOODS-N) field. Using the deep Spitzer Legacy images and new data and reductions of the Very Large Array-Hubble Deep Field (VLA-HDF) radio data, we find statistically secure counterparts for 60 per cent (21/35) of our submillimetre (submm) sample, and identify tentative counterparts for another 12 objects. This is the largest sample of submm galaxies with statistically secure counterparts detected in the radio and with Spitzer. Half of the secure counterparts have spectroscopic redshifts, while the other half have photometric redshifts. We find that in most cases the 850-μm emission is dominated by a single 24-μm source, with a median flux density of 241 μJy, leading to a median 24-to-850-μm flux density ratio of 0.040. A composite rest-frame SED shows that the submm sources peak at longer wavelengths than those of local ultraluminous infrared galaxies (ULIRGs). Using a basic grey-body model, 850-μm selected galaxies appear to be cooler than local ULIRGs of the same luminosity. This demonstrates the strong selection effects, both locally and at high redshift, which may lead to an incomplete census of the ULIRG population. The SEDs of submm galaxies are also different from those of their high-redshift neighbours, the near-IR selected BzK galaxies, whose mid-IR-to-radio SEDs are more like those of local ULIRGs. Using 24-μm, 850-μm and 1.4-GHz observations, we fit templates that span the mid-IR through radio to derive the integrated IR luminosity (LIR) of the submm galaxies and find a median value of LIR(8–1000 μm) = 6.0 × 1012 L⊙. By themselves, 24-μm and radio fluxes are able to predict LIR reasonably well because they are relatively insensitive to temperature. However, the submm flux by itself consistently overpredicts LIR when using spectral templates which obey the local ULIRG temperature–luminosity relation. The shorter Spitzer wavelengths sample the stellar bump at the redshifts of the submm sources, and we find that the Spitzer photometry alone provides a model-independent estimate of the redshift, σ[Δz/(1 +z)]= 0.07. The median redshift for our secure submm counterparts is 2.0. Using X-ray and mid-IR data, only 5 per cent of our secure counterparts (1/21) show strong evidence for an active galactic nucleus dominating the LIR.

We present the serendipitous discovery of molecular gas CO emission lines with the IRAM Plateau de Bure interferometer coincident with two luminous submillimeter galaxies (SMGs) in the Great Observatories Origins Deep Survey North (GOODS-N) field. The identification of the millimeter emission lines as CO[4–3] at z = 4.05 is based on the optical and near-IR photometric redshifts, radio-infrared photometric redshifts, and Keck+DEIMOS optical spectroscopy. These two galaxies include the brightest submillimeter source in the field (GN20; S850 μm = 20.3 mJy, zCO = 4.055 ± 0.001) and its companion (GN20.2; S850 μm = 9.9 mJy, zCO = 4.051 ± 0.003). These are among the most distant submillimeter-selected galaxies reliably identified through CO emission and also some of the most luminous known. GN20.2 has a possible additional counterpart and a luminous active galactic nucleus inside its primary counterpart revealed in the radio. Continuum emission of 0.3 mJy at 3.3 mm (0.65 mm in the rest frame) is detected at 5σ for GN20, the first dust continuum detection in an SMG at such long wavelength, unveiling a spectral energy distribution that is similar to local ultra luminous IR galaxies. In terms of CO to bolometric luminosities, stellar mass, and star formation rates (SFRs), these newly discovered z > 4 SMGs are similar to z ∼ 2–3 SMGs studied to date. These z ∼ 4 SMGs have much higher specific star formation rates than those of typical B-band dropout Lyman break galaxies at the same redshift. The stellar mass–SFR correlation for normal galaxies does not seem to evolve much further, between z ∼ 2 and z ∼ 4. A significant z = 4.05 spectroscopic redshift spike is observed in GOODS-N, and a strong spatial overdensity of B-band dropouts and IRAC selected z > 3.5 galaxies appears to be centered on the GN20 and GN20.2 galaxies. This suggests a protocluster structure with total mass ∼1014 M☉. Using photometry at mid-IR (24 μm), submillimeter (850 μm), and radio (20 cm) wavelengths, we show that reliable photometric redshifts (Δz/(1 + z) ∼ 0.1) can be derived for SMGs over 1 ≲ z ≲ 4. This new photometric redshift technique has been used to provide a first estimate of the space density of 3.5 < z < 6 hyper-luminous starburst galaxies, and to show that they both contribute substantially to the SFR density at early epochs and that they can account for the presence of old galaxies at z ∼ 2–3. Many of these high-redshift starbursts will be within reach of Herschel. We find that the criterion S1.4 GHz ≳ S24 μm, coupled to optical, near-IR and mid-IR photometry, can be used to select z > 3.5 starbursts, regardless of their submillimeter/millimeter emission.

The use of submillimeter dust continuum emission to probe the mass of interstellar dust and gas in galaxies is empirically calibrated using samples of local star-forming galaxies, Planck observations of the Milky Way, and high-redshift submillimeter galaxies. All of these objects suggest a similar calibration, strongly supporting the view that the Rayleigh–Jeans tail of the dust emission can be used as an accurate and very fast probe of the interstellar medium (ISM) in galaxies. We present ALMA Cycle 0 observations of the Band 7 (350 GHz) dust emission in 107 galaxies from z = 0.2 to 2.5. Three samples of galaxies with a total of 101 galaxies were stellar-mass-selected from COSMOS to have M* ≃ 1011 M☉: 37 at z ∼ 0.4, 33 at z ∼ 0.9, and 31 at z = 2. A fourth sample with six infrared-luminous galaxies at z = 2 was observed for comparison with the purely mass-selected samples. From the fluxes detected in the stacked images for each sample, we find that the ISM content has decreased by a factor ∼6 from 1 to 2 × 1010 M☉ at both z = 2 and 0.9 down to ∼2 × 109 M☉ at z = 0.4. The infrared-luminous sample at z = 2 shows a further ∼4 times increase in MISM compared with the equivalent non-infrared-bright sample at the same redshift. The gas mass fractions are ∼2% ± 0.5%, 12% ± 3%, 14% ± 2%, and 53% ± 3% for the four subsamples (z = 0.4, 0.9, and 2 and infrared-bright galaxies).

Abstract We present an analysis of eight JWST Mid-Infrared Instrument (MIRI) 5.6 μ m images with 5 σ depths of ≈0.1 μ Jy. We detect 2854 sources within our combined area of 18.4 arcmin 2 . We compute the MIRI 5.6 μ m number counts, including an analysis of the field-to-field variation. Compared to earlier published MIRI 5.6 μ m counts, our counts have a more pronounced knee, at roughly 2 μ Jy. The location and amplitude of the counts at the knee are consistent with the Cowley et al. model predictions, although these models tend to overpredict the counts below the knee. In areas of overlap, 84% of the MIRI sources have a counterpart in the COSMOS2020 catalog. These MIRI sources have redshifts that are mostly in the z ∼ 0.5–2, with a tail out to z ∼ 5. They are predominantly moderate to low stellar masses (10 8 –10 10 M ⊙ ) main-sequence star-forming galaxies, suggesting that with ≈2 hr exposures, MIRI can reach well below M * at cosmic noon and reach higher mass systems out to z ∼ 5. Nearly 70% of the COSMOS2020 sources in areas of overlap now have a data point at 5.6 μ m (rest-frame near-IR at cosmic noon), which allows for more accurate stellar population parameter estimates. Finally, we discovered 31 MIRI-bright sources not present in COSMOS2020. A crossmatch with IRAC channel 1 suggests that 10%–20% of these are likely lower mass ( M * ≈ 10 9 M ⊙ ), z ∼ 1 dusty galaxies. The rest (80%–90%) are consistent with more massive but still very dusty galaxies at z > 3.