We present the first Event Horizon Telescope (EHT) observations of Sagittarius A* (Sgr A$^*$), the Galactic center source associated with a supermassive black hole. These observations were conducted in 2017 using a global interferometric array of eight telescopes operating at a wavelength of $\lambda=1.3\,{\rm mm}$. The EHT data resolve a compact emission region with intrahour variability. A variety of imaging and modeling analyses all support an image that is dominated by a bright, thick ring with a diameter of $51.8 \pm 2.3$\,\uas (68\% credible interval). The ring has modest azimuthal brightness asymmetry and a comparatively dim interior. Using a large suite of numerical simulations, we demonstrate that the EHT images of Sgr A$^*$ are consistent with the expected appearance of a Kerr black hole with mass ${\sim}4 \times 10^6\,{\rm M}_\odot$, which is inferred to exist at this location based on previous infrared observations of individual stellar orbits as well as maser proper motion studies. Our model comparisons disfavor scenarios where the black hole is viewed at high inclination ($i > 50^\circ$), as well as non-spinning black holes and those with retrograde accretion disks. Our results provide direct evidence for the presence of a supermassive black hole at the center of the Milky Way galaxy, and for the first time we connect the predictions from dynamical measurements of stellar orbits on scales of $10^3-10^5$ gravitational radii to event horizon-scale images and variability. Furthermore, a comparison with the EHT results for the supermassive black hole M87$^*$ shows consistency with the predictions of general relativity spanning over three orders of magnitude in central mass.

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.

We present a measurement of the angular power spectrum of the cosmic microwave background (CMB) using data from the South Pole Telescope (SPT). The data consist of 790 deg2 of sky observed at 150 GHz during 2008 and 2009. Here we present the power spectrum over the multipole range 650 < ℓ < 3000, where it is dominated by primary CMB anisotropy. We combine this power spectrum with the power spectra from the seven-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) data release to constrain cosmological models. We find that the SPT and WMAP data are consistent with each other and, when combined, are well fit by a spatially flat, ΛCDM cosmological model. The SPT+WMAP constraint on the spectral index of scalar fluctuations is ns = 0.9663 ± 0.0112. We detect, at ∼5σ significance, the effect of gravitational lensing on the CMB power spectrum, and find its amplitude to be consistent with the ΛCDM cosmological model. We explore a number of extensions beyond the ΛCDM model. Each extension is tested independently, although there are degeneracies between some of the extension parameters. We constrain the tensor-to-scalar ratio to be r < 0.21 (95% CL) and constrain the running of the scalar spectral index to be dns/dln k = −0.024 ± 0.013. We strongly detect the effects of primordial helium and neutrinos on the CMB; a model without helium is rejected at 7.7σ, while a model without neutrinos is rejected at 7.5σ. The primordial helium abundance is measured to be Yp = 0.296 ± 0.030, and the effective number of relativistic species is measured to be Neff = 3.85 ± 0.62. The constraints on these models are strengthened when the CMB data are combined with measurements of the Hubble constant and the baryon acoustic oscillation feature. Notable improvements include ns = 0.9668 ± 0.0093, r < 0.17 (95% CL), and Neff = 3.86 ± 0.42. The SPT+WMAP data show a mild preference for low power in the CMB damping tail, and while this preference may be accommodated by models that have a negative spectral running, a high primordial helium abundance, or a high effective number of relativistic species, such models are disfavored by the abundance of low-redshift galaxy clusters.

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.

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.

Abstract In this paper we provide a first physical interpretation for the Event Horizon Telescope's (EHT) 2017 observations of Sgr A*. Our main approach is to compare resolved EHT data at 230 GHz and unresolved non-EHT observations from radio to X-ray wavelengths to predictions from a library of models based on time-dependent general relativistic magnetohydrodynamics simulations, including aligned, tilted, and stellar-wind-fed simulations; radiative transfer is performed assuming both thermal and nonthermal electron distribution functions. We test the models against 11 constraints drawn from EHT 230 GHz data and observations at 86 GHz, 2.2 μ m, and in the X-ray. All models fail at least one constraint. Light-curve variability provides a particularly severe constraint, failing nearly all strongly magnetized (magnetically arrested disk (MAD)) models and a large fraction of weakly magnetized models. A number of models fail only the variability constraints. We identify a promising cluster of these models, which are MAD and have inclination i ≤ 30°. They have accretion rate (5.2–9.5) × 10 −9 M ⊙ yr −1 , bolometric luminosity (6.8–9.2) × 10 35 erg s −1 , and outflow power (1.3–4.8) × 10 38 erg s −1 . We also find that all models with i ≥ 70° fail at least two constraints, as do all models with equal ion and electron temperature; exploratory, nonthermal model sets tend to have higher 2.2 μ m flux density; and the population of cold electrons is limited by X-ray constraints due to the risk of bremsstrahlung overproduction. Finally, we discuss physical and numerical limitations of the models, highlighting the possible importance of kinetic effects and duration of the simulations.

Abstract In 2017 April, the Event Horizon Telescope (EHT) observed the near-horizon region around the supermassive black hole at the core of the M87 galaxy. These 1.3 mm wavelength observations revealed a compact asymmetric ring-like source morphology. This structure originates from synchrotron emission produced by relativistic plasma located in the immediate vicinity of the black hole. Here we present the corresponding linear-polarimetric EHT images of the center of M87. We find that only a part of the ring is significantly polarized. The resolved fractional linear polarization has a maximum located in the southwest part of the ring, where it rises to the level of ∼15%. The polarization position angles are arranged in a nearly azimuthal pattern. We perform quantitative measurements of relevant polarimetric properties of the compact emission and find evidence for the temporal evolution of the polarized source structure over one week of EHT observations. The details of the polarimetric data reduction and calibration methodology are provided. We carry out the data analysis using multiple independent imaging and modeling techniques, each of which is validated against a suite of synthetic data sets. The gross polarimetric structure and its apparent evolution with time are insensitive to the method used to reconstruct the image. These polarimetric images carry information about the structure of the magnetic fields responsible for the synchrotron emission. Their physical interpretation is discussed in an accompanying publication.

We report the results of an 87 square-degree point-source survey centered at R.A. 5h30m, decl. -55 deg. taken with the South Pole Telescope (SPT) at 1.4 and 2.0 mm wavelengths with arc-minute resolution and milli-Jansky depth. Based on the ratio of flux in the two bands, we separate the detected sources into two populations, one consistent with synchrotron emission from active galactic nuclei (AGN) and one consistent with thermal emission from dust. We present source counts for each population from 11 to 640 mJy at 1.4 mm and from 4.4 to 800 mJy at 2.0 mm. The 2.0 mm counts are dominated by synchrotron-dominated sources across our reported flux range; the 1.4 mm counts are dominated by synchroton-dominated sources above ~15 mJy and by dust-dominated sources below that flux level. We detect 141 synchrotron-dominated sources and 47 dust-dominated sources at S/N > 4.5 in at least one band. All of the most significantly detected members of the synchrotron-dominated population are associated with sources in previously published radio catalogs. Some of the dust-dominated sources are associated with nearby (z << 1) galaxies whose dust emission is also detected by the Infrared Astronomy Satellite (IRAS). However, most of the bright, dust-dominated sources have no counterparts in any existing catalogs. We argue that these sources represent the rarest and brightest members of the population commonly referred to as sub-millimeter galaxies (SMGs). Because these sources are selected at longer wavelengths than in typical SMG surveys, they are expected to have a higher mean redshift distribution and may provide a new window on galaxy formation in the early universe.