We present the deepest 100 to 500 μm far-infrared observations obtained with the Herschel Space Observatory as part of the GOODS-Herschel key program, and examine the infrared (IR) 3–500 μm spectral energy distributions (SEDs) of galaxies at 0 < z < 2.5, supplemented by a local reference sample from IRAS, ISO, Spitzer, and AKARI data. We determine the projected star formation densities of local galaxies from their radio and mid-IR continuum sizes.

We quantify the importance of mass accretion during active galactic nuclei (AGN) phases in the growth of supermassive black holes (BHs) by comparing the mass function of black holes in the Local Universe with that expected from AGN relics, which are black holes grown entirely with mass accretion during AGN phases. The local BH mass function (BHMF) is estimated by applying the well-known correlations between BH mass, bulge luminosity and stellar velocity dispersion to galaxy luminosity and velocity functions. We find that different correlations provide the same BHMF only if they have the same intrinsic dispersion. The density of supermassive black holes in the Local Universe that we estimate is ρBH= 4.6+1.9−1.4h20.7× 105 M⊙ Mpc−3. The relic BHMF is derived from the continuity equation with the only assumption that AGN activity is due to accretion on to massive BHs and that merging is not important. We find that the relic BHMF at z= 0 is generated mainly at z < 3 where the major part of the growth of a BH takes place. Moreover, BH growth is antihierarchical in the sense that smaller BHs (MBH < 107 M⊙) grow at lower redshifts (z < 1) with respect to more massive ones (z∼ 1–3). Unlike previous work, we find that the BHMF of AGN relics is perfectly consistent with the local BHMF, indicating that local BHs were mainly grown during AGN activity. This agreement is obtained while satisfying, at the same time, the constraints imposed from the X-ray background (XRB). The comparison between the local and relic BHMFs also suggests that the merging process is not important in shaping the relic BHMF, at least at low redshifts (z < 3), and allows us to estimate the average radiative efficiency (ɛ), the ratio between emitted and Eddington luminosity (λ) and the average lifetime of active BHs. Our analysis thus suggests the following scenario: local BHs grew during AGN phases in which accreting matter was converted into radiation with efficiencies ɛ= 0.04–0.16 and emitted at a fraction λ= 0.1–1.7 of the Eddington luminosity. The average total lifetime of these active phases ranges from ≃ 4.5 × 108 yr for MBH < 108 M⊙ to ≃ 1.5 × 108 yr for MBH > 109 M⊙, but can become as large as ∼109 yr for the lowest acceptable ɛ and λ values.

[abridged] We present point-source catalogs for the 4Ms Chandra Deep Field-South (CDF-S), which is the deepest Chandra survey to date and covers an area of 464.5 arcmin^2. We provide a main source catalog, which contains 740 X-ray point sources that are detected with wavdetect at a false-positive probability threshold of 1E-5 and also satisfy a binomial-probability source-selection criterion of P<0.004; this approach is designed to maximize the number of reliable sources detected. A total of 300 main-catalog sources are new compared to the previous 2Ms CDF-S main-catalog sources. We also provide a supplementary catalog, which consists of 36 sources that are detected with wavdetect at 1E-5, satisfy 0.004< P<0.1, and have an optical counterpart with R<24. Multiwavelength identifications, basic optical/infrared/radio photometry, and spectroscopic/photometric redshifts are provided for the X-ray sources. Basic analyses of the X-ray and multiwavelength properties of the sources indicate that >75% of the main-catalog sources are AGNs; of the 300 new main-catalog sources, about 35% are likely normal and starburst galaxies, reflecting the rise of normal and starburst galaxies at the very faint flux levels uniquely accessible to the 4Ms CDF-S. Near the center of the 4Ms CDF-S, the observed AGN and galaxy source densities have reached ~9800 and 6900 per square degree, respectively. The 4 Ms CDF-S reaches on-axis flux limits of ~9.1E-18 and 5.5E-17 erg/cm^2/s for the soft and hard bands, respectively. An increase in the CDF-S exposure by a factor of ~2-2.5 would provide further significant gains and probe key unexplored discovery space.

Spitzer IRAC selection is a powerful tool for identifying luminous AGN. For deep IRAC data, however, the AGN selection wedges currently in use are heavily contaminated by star-forming galaxies, especially at high redshift. Using the large samples of luminous AGN and high-redshift star-forming galaxies in COSMOS, we redefine the AGN selection criteria for use in deep IRAC surveys. The new IRAC criteria are designed to be both highly complete and reliable, and incorporate the best aspects of the current AGN selection wedges and of infrared power-law selection while excluding high redshift star-forming galaxies selected via the BzK, DRG, LBG, and SMG criteria. At QSO-luminosities of log L(2-10 keV) (ergs/s) > 44, the new IRAC criteria recover 75% of the hard X-ray and IRAC-detected XMM-COSMOS sample, yet only 38% of the IRAC AGN candidates have X-ray counterparts, a fraction that rises to 52% in regions with Chandra exposures of 50-160 ks. X-ray stacking of the individually X-ray non-detected AGN candidates leads to a hard X-ray signal indicative of heavily obscured to mildly Compton-thick obscuration (log N_H (cm^-2) = 23.5 +/- 0.4). While IRAC selection recovers a substantial fraction of luminous unobscured and obscured AGN, it is incomplete to low-luminosity and host-dominated AGN.

We present our first results from 120 ks of X-ray observations obtained with the Advanced CCD Imaging Spectrometer on the Chandra X-Ray Observatory. The field of the two combined exposures is 0.096 deg2 and the detection limit is to a S/N of 2 (corresponding to ~7 net counts). We reach a flux of 2 × 10-16 erg s-1 cm-2 in the 0.5-2 keV soft band and 2 × 10-15 erg s-1 cm-2 in the 2-10 keV hard band. Our combined sample has 144 soft sources and 91 hard sources, for a total of 159 sources. Fifteen sources are detected only in the hard band, and 68 only in the soft band. For the optical identification, we carried out a survey in VRI with the FORS-1 imaging spectrometer on the Antu telescope (UT-1 at VLT) complete to R ≤ 26. This data set was complemented with data from the ESO Imaging Survey (EIS) in the UBJK bands and the ESO Wide Field Imager Survey (WFI) in the B band. The positional accuracy of the X-ray detections is of the order of 1'' in the central 6'. Optical identifications are found for ≃90% of the sources. Optical spectra have been obtained for 12 objects. We obtain the cumulative spectra of the faint and bright X-ray sources in the sample and also the hardness ratios of individual sources. A power-law fit in the range 2-10 keV using the Galactic value of NH ≃ 8 × 1019 cm-2 yields a photon index of Γ = 1.70 ± 0.12 and 1.35 ± 0.20 (errors at 90% confidence level) for the bright and faint samples, respectively, showing a flattening of the spectrum at lower fluxes. Hardness ratio is given as a function of X-ray flux and confirms this result. The spectrum of our sources is approaching the spectrum of the X-ray background (XRB) in the hard band, which has an effective Γ = 1.4. Correlation function analysis for the angular distribution of the sources indicates that they are significantly clustered on scales as large as 100''. The scale dependence of the correlation function is a power law with index γ ~ 2, consistent with that of the galaxy distribution in the local universe. Consequently, the discrete sources detected by deep Chandra-pointed observations can be used as powerful tracers of the large-scale structure at high redshift. We discuss the log N- log S relationship and the discrete source contribution to the integrated X-ray sky flux. In the soft band, the sources detected in the field at fluxes below 10-15 erg s-1 cm-2 contribute (4.0 ± 0.3) × 10-12 erg cm-2 s-1 deg-2 to the total XRB. The flux resolved in the hard band down to the flux limit of 2 × 10-15 erg s-1 cm-2 contributes (1.05 ± 0.2) × 10-11 erg cm-2 s-1 deg-2. Once the contribution from the bright counts resolved by ASCA is included, the total resolved XRB amounts to 1.3 × 10-11 erg cm-2 s-1 deg-2, which is 60%-80% of the total measured background. This result confirms that the XRB is due to the integrated contribution of discrete sources, but shows that there is still a relevant fraction (at least 20%) of the hard XRB to be resolved at fluxes below 10-15 erg s-1 cm-2. We discuss the X-ray flux versus R magnitude relation for the identified sources. We find that ≃10% of the sources in our sample are not immediately identifiable at R > 26. For these sources, SX/Sopt > 15, whereas most of the ROSAT and Chandra sources have SX/Sopt < 10. We have also found a population of objects with unusually low SX/Sopt that are identified as galaxies. The R-K versus R color diagram shows that the Chandra sources continue the trend seen by ROSAT. For our 12 spectroscopically studied objects with redshifts, we observe four QSOs, five Seyfert 2 galaxies, one elliptical, and two interacting galaxies. We compare LX versus z obtained with these measurements and show that Chandra is achieving the predicted sensitivity.

We present X-ray source catalogs for the $\approx7$ Ms exposure of the Chandra Deep Field-South (CDF-S), which covers a total area of 484.2 arcmin$^2$. Utilizing WAVDETECT for initial source detection and ACIS Extract for photometric extraction and significance assessment, we create a main source catalog containing 1008 sources that are detected in up to three X-ray bands: 0.5-7.0 keV, 0.5-2.0 keV, and 2-7 keV. A supplementary source catalog is also provided including 47 lower-significance sources that have bright ($K_s\le23$) near-infrared counterparts. We identify multiwavelength counterparts for 992 (98.4%) of the main-catalog sources, and we collect redshifts for 986 of these sources, including 653 spectroscopic redshifts and 333 photometric redshifts. Based on the X-ray and multiwavelength properties, we identify 711 active galactic nuclei (AGNs) from the main-catalog sources. Compared to the previous $\approx4$ Ms CDF-S catalogs, 291 of the main-catalog sources are new detections. We have achieved unprecedented X-ray sensitivity with average flux limits over the central $\approx1$ arcmin$^2$ region of $\approx1.9\times10^{-17}$, $6.4\times10^{-18}$, and $2.7\times10^{-17}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$ in the three X-ray bands, respectively. We provide cumulative number-count measurements observing, for the first time, that normal galaxies start to dominate the X-ray source population at the faintest 0.5-2.0 keV flux levels. The highest X-ray source density reaches $\approx50\,500$ deg$^{-2}$, and $47\%\pm4\%$ of these sources are AGNs ($\approx23\,900$ deg$^{-2}$).

The COSMOS-Legacy survey is a 4.6 Ms Chandra program that has imaged 2.2 deg$^2$ of the COSMOS field with an effective exposure of $\simeq$160 ks over the central 1.5 deg$^2$ and of $\simeq$80 ks in the remaining area. The survey is the combination of 56 new observations, obtained as an X-ray Visionary Project, with the previous C-COSMOS survey. We describe the reduction and analysis of the new observations and the properties of 2273 point sources detected above a spurious probability of 2$\times 10^{-5}$. We also present the updated properties of the C-COSMOS sources detected in the new data. The whole survey includes 4016 point sources (3814, 2920 and 2440 in the full, soft and hard band). The limiting depths are 2.2 $\times$ 10$^{-16}$, 1.5 $\times$ 10$^{-15}$ and 8.9$\times$ 10$^{-16}$ ${\rm erg~cm}^{-2}~{\rm s}^{-1}$ in the 0.5-2, 2-10 and 0.5-10 keV bands, respectively. The observed fraction of obscured AGN with column density $> 10^{22}$ cm$^{-2}$ from the hardness ratio (HR) is $\sim$50$^{+17}_{-16}$%. Given the large sample, we compute source number counts in the hard and soft bands, significantly reducing the uncertainties of 5-10%. For the first time, we compute number counts for obscured (HR$>$-0.2) and unobscured (HR$<$-0.2) sources and find significant differences between the two populations in the soft band. Due to the un-precedent large exposure, COSMOS-Legacy area is 3 times larger than surveys at similar depth and its depth is 3 times fainter than surveys covering similar area. The area-flux region occupied by COSMOS-Legacy is likely to remain unsurpassed for years to come.

The Chandra COSMOS Survey (C-COSMOS) is a large, 1.8 Ms, Chandra} program that has imaged the central 0.5 sq.deg of the COSMOS field (centered at 10h, +02deg) with an effective exposure of ~160ksec, and an outer 0.4sq.deg. area with an effective exposure of ~80ksec. The limiting source detection depths are 1.9e-16 erg cm(-2) s(-1) in the Soft (0.5-2 keV) band, 7.3e(-16) erg cm^-2 s^-1 in the Hard (2-10 keV) band, and 5.7e(-16) erg cm(-2) s(-1) in the Full (0.5-10 keV) band. Here we describe the strategy, design and execution of the C-COSMOS survey, and present the catalog of 1761 point sources detected at a probability of being spurious of <2e(-5) (1655 in the Full, 1340 in the Soft, and 1017 in the Hard bands). By using a grid of 36 heavily (~50%) overlapping pointing positions with the ACIS-I imager, a remarkably uniform (to 12%) exposure across the inner 0.5 sq.deg field was obtained, leading to a sharply defined lower flux limit. The widely different PSFs obtained in each exposure at each point in the field required a novel source detection method, because of the overlapping tiling strategy, which is described in a companion paper. (Puccetti et al. Paper II). This method produced reliable sources down to a 7-12 counts, as verified by the resulting logN-logS curve, with sub-arcsecond positions, enabling optical and infrared identifications of virtually all sources, as reported in a second companion paper (Civano et al. Paper III). The full catalog is described here in detail, and is available on-line.

Bolometric luminosities and Eddington ratios of both X-ray selected broad-line (Type-1) and narrow-line (Type-2) AGN from the XMM-Newton survey in the COSMOS field are presented. The sample is composed by 929 AGN (382 Type-1 AGN and 547 Type-2 AGN) and it covers a wide range of redshifts, X-ray luminosities and absorbing column densities. About 65% of the sources are spectroscopically identified as either Type-1 or Type-2 AGN (83% and 52% respectively), while accurate photometric redshifts are available for the rest of the sample. The study of such a large sample of X-ray selected AGN with a high quality multi-wavelength coverage from the far-infrared (now with the inclusion of Herschel data at 100 micron and 160 micron) to the optical-UV allows us to obtain accurate estimates of bolometric luminosities, bolometric corrections and Eddington ratios. The kbol-Lbol relations derived in the present work are calibrated for the first time against a sizable AGN sample, and rely on observed redshifts, X-ray luminosities and column density distributions. We find that kbol is significantly lower at high Lbol with respect to previous estimates by Marconi et al. (2004) and Hopkins et al. (2007). Black hole masses and Eddington ratios are available for 170 Type-1 AGN, while black hole masses for Type-2 AGN are computed for 481 objects using the black hole mass-stellar mass relation and the morphological information. We confirm a trend between kbol and lambda_Edd, with lower hard X-ray bolometric corrections at lower Eddington ratios for both Type-1 and Type-2 AGN. We find that, on average, Eddington ratio increases with redshift for all Types of AGN at any given Mbh, while no clear evolution with redshift is seen at any given Lbol.

We present a detailed X-ray spectral analysis of the sources in the 1Ms catalog of the Chandra Deep Field South (CDFS) taking advantage of optical spectroscopy and photometric redshifts for 321 extragalactic sources out of the total sample of 347 sources. As a default spectral model, we adopt a power law with slope Γ with an intrinsic redshifted absorption NH, a fixed Galactic absorption and an unresolved Fe emission line. For 82 X-ray bright sources, we are able to perform the X-ray spectral analysis leaving both Γ and NH free. The weighted mean value for the slope of the power law is , and the distribution of best fit values shows an intrinsic dispersion of . We do not find hints of a correlation between the spectral index Γ and the intrinsic absorption column density NH. We then investigate the absorption distribution for the whole sample, deriving the NH values in faint sources by fixing . We also allow for the presence of a scattered component at soft energies with the same slope of the main power law, and for a pure reflection spectrum typical of Compton-thick AGN. We detect the presence of a scattered soft component in 8 sources; we also identify 14 sources showing a reflection-dominated spectrum. The latter are referred to as Compton-thick AGN candidates. By correcting for both incompleteness and sampling-volume effects, we recover the intrinsic NH distribution representative of the whole AGN population, , from the observed one. shows a lognormal shape, peaking around and with . Interestingly, such a distribution shows continuity between the population of Compton-thin and that of Compton-thick AGN. We find that the fraction of absorbed sources (with cm-2) in the sample is constant (at the level of about 75%) or moderately increasing with redshift. Finally, we compare the optical classification to the X-ray spectral properties, confirming that the correspondence of unabsorbed (absorbed) X-ray sources to optical type I (type II) AGN is accurate for at least 80% of the sources with spectral identification (1/3 of the total X-ray sample).