This paper presents the Hubble Ultra Deep Field (HUDF), a 1 million s exposure of an 11 arcmin2 region in the southern sky with the Advanced Camera for Surveys on the Hubble Space Telescope using Director's Discretionary Time. The exposure time was divided among four filters, F435W (B435), F606W (V606), F775W (i775), and F850LP (z850), to give approximately uniform limiting magnitudes mAB ∼ 29 for point sources. The image contains at least 10,000 objects, presented here as a catalog, the vast majority of which are galaxies. Visual inspection of the images shows few if any galaxies at redshifts greater than ∼4 that resemble present-day spiral or elliptical galaxies. The image reinforces the conclusion from the original Hubble Deep Field that galaxies evolved strongly during the first few billion years in the infancy of the universe. Using the Lyman break dropout method to derive samples of galaxies at redshifts between 4 and 7, it is possible to study the apparent evolution of the galaxy luminosity function and number density. Examination of the catalog for dropout sources yields 504 B435 dropouts, 204 V606 dropouts, and 54 i775 dropouts. The i775 dropouts are most likely galaxies at redshifts between 6 and 7. Using these samples, which are at different redshifts but derived from the same data, we find no evidence for a change in the characteristic luminosity of galaxies but some evidence for a decrease in their number densities between redshifts of 4 and 7. Assessing the factors needed to derive the luminosity function from the data suggests that there is considerable uncertainty in parameters from samples discovered with different instruments and derived using independent assumptions about the source populations. This assessment calls into question some of the strong conclusions of recently published work on distant galaxies. The ultraviolet luminosity density of these samples is dominated by galaxies fainter than the characteristic luminosity, and the HUDF reveals considerably more luminosity than shallower surveys. The apparent ultraviolet luminosity density of galaxies appears to decrease from redshifts of a few to redshifts greater than 6, although this decrease may be the result of faint-end incompleteness in the most distant samples. The highest redshift samples show that star formation was already vigorous at the earliest epochs at which galaxies have been observed, less than 1 billion years after the big bang.

We report observations of 240 Cepheid variables obtained with the Near Infrared Camera (NICMOS) through the F160W filter on the Hubble Space Telescope (HST). The Cepheids are distributed across six recent hosts of Type Ia supernovae (SNe Ia) and the "maser galaxy" NGC 4258, allowing us to directly calibrate the peak luminosities of the SNe Ia from the precise, geometric distance measurements provided by the masers. New features of our measurement include the use of the same instrument for all Cepheid measurements across the distance ladder and homogeneity of the Cepheid periods and metallicities thus necessitating only a differential measurement of Cepheid fluxes and reducing the largest systematic uncertainties in the determination of the fiducial SN Ia luminosity. The NICMOS measurements reduce differential extinction in the host galaxies by a factor of 5 over past optical data. Combined with an expanded of 240 SNe Ia at z<0.1 which define their magnitude-redshift relation, we find H_0=74.2 +/-3.6, a 4.8% uncertainty including both statistical and systematic errors. We show that the factor of 2.2 improvement in the precision of H_0 is a significant aid to the determination of the equation-of-state of dark energy, w = P/(rho c^2). Combined with the WMAP 5-year measurement of Omega_M h^2, we find w= -1.12 +/- 0.12 independent of high-redshift SNe Ia or baryon acoustic oscillations (BAO). This result is also consistent with analyses based on the combination of high-z SNe Ia and BAO. The constraints on w(z) now with high-z SNe Ia and BAO are consistent with a cosmological constant and improved by a factor of 3 from the refinement in H_0 alone. We show future improvements in H_0 are likely and will further contribute to multi-technique studies of dark energy.

Far-ultraviolet to far-infrared images of the nearby galaxy NGC 5194 (M51a), from a combination of space-based (Spitzer, GALEX, and Hubble Space Telescope) and ground-based data, are used to investigate local and global star formation and the impact of dust extinction. The Spitzer data provide unprecedented spatial detail in the infrared, down to sizes ~500 pc at the distance of NGC 5194. The multiwavelength set is used to trace the relatively young stellar populations, the ionized gas, and the dust absorption and emission in H II-emitting knots, over 3 orders of magnitude in wavelength range. As is common in spiral galaxies, dust extinction is high in the center of the galaxy (AV ~ 3.5 mag), but its mean value decreases steadily as a function of galactocentric distance, as derived from both gas emission and stellar continuum properties. In the IR/UV-UV color plane, the NGC 5194 H II knots show the same trend observed for normal star-forming galaxies, having a much larger dispersion (~1 dex peak to peak) than starburst galaxies. We identify the dispersion as due to the UV emission predominantly tracing the evolved, nonionizing stellar population, up to ages ~50-100 Myr. While in starbursts the UV light traces the current star formation rate (SFR), in NGC 5194 it traces a combination of current and recent past SFRs. Possibly, mechanical feedback from supernovae is less effective at removing dust and gas from the star formation volume in normal star-forming galaxies than in starbursts because of the typically lower SFR densities in the former. The application of the starburst opacity curve for recovering the intrinsic UV emission (and deriving SFRs) in local and distant galaxies appears therefore appropriate only for SFR densities ≳1 M☉ yr-1 kpc-2. Unlike the UV emission, the monochromatic 24 μm luminosity is an accurate local SFR tracer for the H II knots in NGC 5194, with a peak-to-peak dispersion of less than a factor of 3 relative to hydrogen emission line tracers; this suggests that the 24 μm emission carriers are mainly heated by the young, ionizing stars. However, preliminary results show that the ratio of the 24 μm emission to the SFR varies by a factor of a few from galaxy to galaxy; this variation needs to be understood and carefully quantified before the 24 μm luminosity can be used as an SFR tracer for galaxy populations. While also correlated with star formation, the 8 μm emission is not directly proportional to the number of ionizing photons; it is overluminous, by up to a factor of ~2, relative to the galaxy's average in weakly ionized regions and is underluminous, by up to a factor of ~3, in strongly ionized regions. This confirms earlier suggestions that the carriers of the 8 μm emission are heated by more than one mechanism.

The ultraviolet-to-radio continuum spectral energy distributions are presented for all 75 galaxies in the Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey (SINGS). A principal component analysis of the sample shows that most of the sample's spectral variations stem from two underlying components, one representative of a galaxy with a low infrared-to-ultraviolet ratio and one representative of a galaxy with a high infrared-to-ultraviolet ratio. The influence of several parameters on the infrared-to-ultraviolet ratio is studied (e.g., optical morphology, disk inclination, far-infrared color, ultraviolet spectral slope, and star formation history). Consistent with our understanding of normal star-forming galaxies, the SINGS sample of galaxies in comparison to more actively star-forming galaxies exhibits a larger dispersion in the infrared-to-ultraviolet versus ultraviolet spectral slope correlation. Early-type galaxies, exhibiting low star formation rates and high optical surface brightnesses, have the most discrepant infrared-to-ultraviolet correlation. These results suggest that the star formation history may be the dominant regulator of the broadband spectral variations between galaxies. Finally, a new discovery shows that the 24 μm morphology can be a useful tool for parameterizing the global dust temperature and ultraviolet extinction in nearby galaxies. The dust emission in dwarf/irregular galaxies is clumpy and warm accompanied by low ultraviolet extinction, while in spiral galaxies there is typically a much larger diffuse component of cooler dust and average ultraviolet extinction. For galaxies with nuclear 24 μm emission, the dust temperature and ultraviolet extinction are relatively high compared to disk galaxies.