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.

Context: The interaction of the light from astronomical objects with the constituents of the Earth's atmosphere leads to the formation of telluric absorption lines in ground-based collected spectra. Correcting for these lines, mostly affecting the red and infrared region of the spectrum, usually relies on observations of specific stars obtained close in time and airmass to the science targets, therefore using precious observing time. Aims: We present molecfit, a tool for correcting for telluric absorption lines based on synthetic modelling of the Earth's atmospheric transmission. Molecfit is versatile and can be used with data obtained with various ground-based telescopes and instruments. Methods: Molecfit combines a publicly available radiative transfer code, a molecular line database, atmospheric profiles, and various kernels to model the instrument line spread function. The atmospheric profiles are created by merging a standard atmospheric profile representative of a given observatory's climate, of local meteorological data, and of dynamically retrieved altitude profiles for temperature, pressure, and humidity. We discuss the various ingredients of the method, its applicability, and its limitations. We also show examples of telluric line correction on spectra obtained with a suite of ESO Very Large Telescope (VLT) instruments. Results: Compared to previous similar tools, molecfit takes the best results for temperature, pressure, and humidity in the atmosphere above the observatory into account. As a result, the standard deviation of the residuals after correction of unsaturated telluric lines is frequently better than 2% of the continuum. Conclusion: Molecfit is able to accurately model and correct for telluric lines over a broad range of wavelengths and spectral resolutions. (Abridged)

We present a first analysis of deep 24 μm observations with the Spitzer Space Telescope of a sample of nearly 1500 galaxies in a thin redshift slice, 0.65 ≤ z < 0.75. We combine the infrared data with redshifts, rest-frame luminosities, and colors from COMBO-17 and with morphologies from Hubble Space Telescope images collected by the Galaxy Evolution from Morphology and SEDs (GEMS) and Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS) projects. To characterize the decline in star formation rate (SFR) since z ~ 0.7, we estimate the total thermal IR luminosities, SFRs, and stellar masses for the galaxies in this sample. At z ~ 0.7, nearly 40% of intermediate- and high-mass galaxies (with stellar masses ≥2 × 1010 M☉) are undergoing a period of intense star formation above their past-averaged SFR. In contrast, less than 1% of equally massive galaxies in the local universe have similarly intense star formation activity. Morphologically undisturbed galaxies dominate the total infrared luminosity density and SFR density: at z ~ 0.7, more than half of the intensely star-forming galaxies have spiral morphologies, whereas less than ~30% are strongly interacting. Thus, a decline in major merger rate is not the underlying cause of the rapid decline in cosmic SFR since z ~ 0.7. Physical properties that do not strongly affect galaxy morphology—for example, gas consumption and weak interactions with small satellite galaxies—appear to be responsible.

We present global structural parameter measurements of 109,533 unique, H_F160W-selected objects from the CANDELS multi-cycle treasury program. Sersic model fits for these objects are produced with GALFIT in all available near-infrared filters (H_F160W, J_F125W and, for a subset, Y_F105W). The parameters of the best-fitting Sersic models (total magnitude, half-light radius, Sersic index, axis ratio, and position angle) are made public, along with newly constructed point spread functions for each field and filter. Random uncertainties in the measured parameters are estimated for each individual object based on a comparison between multiple, independent measurements of the same set of objects. To quantify systematic uncertainties we create a mosaic with simulated galaxy images with a realistic distribution of input parameters and then process and analyze the mosaic in an identical manner as the real data. We find that accurate and precise measurements -- to 10% or better -- of all structural parameters can typically be obtained for galaxies with H_F160W < 23, with comparable fidelity for basic size and shape measurements for galaxies to H_F160W ~ 24.5.

Context: Absorption by molecules in the Earth's atmosphere strongly affects ground-based astronomical observations. The resulting absorption line strength and shape depend on the highly variable physical state of the atmosphere, i.e. pressure, temperature, and mixing ratio of the different molecules involved. Usually, supplementary observations of so-called telluric standard stars (TSS) are needed to correct for this effect, which is expensive in terms of telescope time. We have developed the software package molecfit to provide synthetic transmission spectra based on parameters obtained by fitting narrow ranges of the observed spectra of scientific objects. These spectra are calculated by means of the radiative transfer code LBLRTM and an atmospheric model. In this way, the telluric absorption correction for suitable objects can be performed without any additional calibration observations of TSS. Aims: We evaluate the quality of the telluric absorption correction using molecfit with a set of archival ESO-VLT X-Shooter visible and near-infrared spectra. Methods: Thanks to the wavelength coverage from the U to the K band, X-Shooter is well suited to investigate the quality of the telluric absorption correction with respect to the observing conditions, the instrumental set-up, input parameters of the code, the signal-to-noise of the input spectrum, and the atmospheric profiles. These investigations are based on two figures of merit, I_off and I_res, that describe the systematic offsets and the remaining small-scale residuals of the corrections. We also compare the quality of the telluric absorption correction achieved with moelcfit to the classical method based on a telluric standard star. (Abridged)

The Earth's atmosphere affects ground-based astronomical observations. Scattering, absorption, and radiation processes deteriorate the signal-to-noise ratio of the data received. For scheduling astronomical observations it is, therefore, important to accurately estimate the wavelength-dependent effect of the Earth's atmosphere on the observed flux. In order to increase the accuracy of the exposure time calculator of the European Southern Observatory's (ESO) Very Large Telescope (VLT) at Cerro Paranal, an atmospheric model was developed as part of the Austrian ESO In-Kind contribution. It includes all relevant components, such as scattered moonlight, scattered starlight, zodiacal light, atmospheric thermal radiation and absorption, and non-thermal airglow emission. This paper focuses on atmospheric scattering processes that mostly affect the blue (< 0.55 mum) wavelength regime, and airglow emission lines and continuum that dominate the red (> 0.55 mum) wavelength regime. While the former is mainly investigated by means of radiative transfer models, the intensity and variability of the latter is studied with a sample of 1186 VLT FORS1 spectra. For a set of parameters such as the object altitude angle, Moon-object angular distance, ecliptic latitude, bimonthly period, and solar radio flux, our model predicts atmospheric radiation and transmission at a requested resolution. A comparison of our model with the FORS1 spectra and photometric data for the night-sky brightness from the literature, suggest a model accuracy of about 20%. This is a significant improvement with respect to existing predictive atmospheric models for astronomical exposure time calculators.