We have discovered 16 Type Ia supernovae (SNe Ia) with the Hubble Space Telescope (HST) and have used them to provide the first conclusive evidence for cosmic deceleration that preceded the current epoch of cosmic acceleration. These objects, discovered during the course of the GOODS ACS Treasury program, include 6 of the 7 highest redshift SNe Ia known, all at z > 1.25, and populate the Hubble diagram in unexplored territory. The luminosity distances to these objects and to 170 previously reported SNe Ia have been determined using empirical relations between light-curve shape and luminosity. A purely kinematic interpretation of the SN Ia sample provides evidence at the greater than 99% confidence level for a transition from deceleration to acceleration or, similarly, strong evidence for a cosmic jerk. Using a simple model of the expansion history, the transition between the two epochs is constrained to be at z = 0.46 ± 0.13. The data are consistent with the cosmic concordance model of ΩM ≈ 0.3, ΩΛ ≈ 0.7 (χ = 1.06) and are inconsistent with a simple model of evolution or dust as an alternative to dark energy. For a flat universe with a cosmological constant, we measure ΩM = 0.29 ± (equivalently, ΩΛ = 0.71). When combined with external flat-universe constraints, including the cosmic microwave background and large-scale structure, we find w = -1.02 ± (and w < -0.76 at the 95% confidence level) for an assumed static equation of state of dark energy, P = wρc2. Joint constraints on both the recent equation of state of dark energy, w0, and its time evolution, dw/dz, are a factor of ~8 more precise than the first estimates and twice as precise as those without the SNe Ia discovered with HST. Our constraints are consistent with the static nature of and value of w expected for a cosmological constant (i.e., w0 = -1.0, dw/dz = 0) and are inconsistent with very rapid evolution of dark energy. We address consequences of evolving dark energy for the fate of the universe.

The Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) is a 524-orbit Multi-Cycle Treasury Program to use the gravitational lensing properties of 25 galaxy clusters to accurately constrain their mass distributions. The survey, described in detail in this paper, will definitively establish the degree of concentration of dark matter in the cluster cores, a key prediction of structure formation models. The CLASH cluster sample is larger and less biased than current samples of space-based imaging studies of clusters to similar depth, as we have minimized lensing-based selection that favors systems with overly dense cores. Specifically, 20 CLASH clusters are solely X-ray selected. The X-ray-selected clusters are massive (kT > 5 keV) and, in most cases, dynamically relaxed. Five additional clusters are included for their lensing strength (θEin > 35'' at zs = 2) to optimize the likelihood of finding highly magnified high-z (z > 7) galaxies. A total of 16 broadband filters, spanning the near-UV to near-IR, are employed for each 20-orbit campaign on each cluster. These data are used to measure precise (σz ∼ 0.02(1 + z)) photometric redshifts for newly discovered arcs. Observations of each cluster are spread over eight epochs to enable a search for Type Ia supernovae at z > 1 to improve constraints on the time dependence of the dark energy equation of state and the evolution of supernovae. We present newly re-derived X-ray luminosities, temperatures, and Fe abundances for the CLASH clusters as well as a representative source list for MACS1149.6+2223 (z = 0.544).

Photometric redshifts are quickly becoming an essential tool of observational cosmology, although their utilization is somewhat hindered by certain shortcomings of the existing methods, e.g., the unreliability of maximum-likelihood techniques or the limited application range of the "training-set" approach. The application of Bayesian inference to the problem of photometric redshift estimation effectively overcomes most of these problems. The use of prior probabilities and Bayesian marginalization facilitates the inclusion of relevant knowledge, such as the expected shape of the redshift distributions and the galaxy type fractions, which can be readily obtained from existing surveys but are often ignored by other methods. If this previous information is lacking or insufficient—for instance, because of the unprecedented depth of the observations—the corresponding prior distributions can be calibrated using even the data sample for which the photometric redshifts are being obtained. An important advantage of Bayesian statistics is that the accuracy of the redshift estimation can be characterized in a way that has no equivalents in other statistical approaches, enabling the selection of galaxy samples with extremely reliable photometric redshifts. In this way, it is possible to determine the properties of individual galaxies more accurately, and simultaneously estimate the statistical properties of a sample in an optimal fashion. Moreover, the Bayesian formalism described here can be easily generalized to deal with a wide range of problems that make use of photometric redshifts. There is excellent agreement between the ≈130 Hubble Deep Field North (HDF-N) spectroscopic redshifts and the predictions of the method, with a rms error of Δz ≈ 0.06(1 + zspec) up to z < 6 and no outliers nor systematic biases. It should be remarked that since these results have not been reached following a training-set procedure, the above value of Δz should be a fair estimate of the expected accuracy for any similar sample. The method is further tested by estimating redshifts in the HDF-N but restricting the color information to the UBVI filters; the results are shown to be significantly more reliable than those obtained with maximum-likelihood techniques.

We measure the morphology-density relation (MDR) and morphology-radius relation (MRR) for galaxies in seven z ~ 1 clusters that have been observed with the Advanced Camera for Surveys (ACS) on board the Hubble Space Telescope. Simulations and independent comparisons of our visually derived morphologies indicate that ACS allows one to distinguish between E, S0, and spiral morphologies down to z850 = 24, corresponding to L/L* = 0.21 and 0.30 at z = 0.83 and 1.24, respectively. We adopt density and radius estimation methods that match those used at lower redshift in order to study the evolution of the MDR and MRR. We detect a change in the MDR between 0.8 < z < 1.2 and that observed at z ~ 0, consistent with recent work; specifically, the growth in the bulge-dominated galaxy fraction, fE+S0, with increasing density proceeds less rapidly at z ~ 1 than it does at z ~ 0. At z ~ 1 and Σ ≥ 500 galaxies Mpc-2, we find ⟨fE+S0⟩ = 0.72 ± 0.10. At z ~ 0, an E+S0 population fraction of this magnitude occurs at densities about 5 times smaller. The evolution in the MDR is confined to densities Σ ≳ 40 galaxies Mpc-2 and appears to be primarily due to a deficit of S0 galaxies and an excess of Sp+Irr galaxies relative to the local galaxy population. The fE-density relation exhibits no significant evolution between z = 1 and 0. We find mild evidence to suggest that the MDR is dependent on the bolometric X-ray luminosity of the intracluster medium. Implications for the evolution of the disk galaxy population in dense regions are discussed in the context of these observations.

We present a candidate for the most distant galaxy known to date with a photometric redshift of z = 10.7+0.6−0.4 (95% confidence limits; with z < 9.5 galaxies of known types ruled out at 7.2σ). This J-dropout Lyman break galaxy, named MACS0647-JD, was discovered as part of the Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble (CLASH). We observe three magnified images of this galaxy due to strong gravitational lensing by the galaxy cluster MACSJ0647.7+7015 at z = 0.591. The images are magnified by factors of ∼80, 7, and 2, with the brighter two observed at ∼26th magnitude AB (∼0.15 μJy) in the WFC3/IR F160W filter (∼1.4–1.7 μm) where they are detected at ≳12σ. All three images are also confidently detected at ≳6σ in F140W (∼1.2–1.6 μm), dropping out of detection from 15 lower wavelength Hubble Space Telescope filters (∼0.2–1.4 μm), and lacking bright detections in Spitzer/IRAC 3.6 μm and 4.5 μm imaging (∼3.2–5.0 μm). We rule out a broad range of possible lower redshift interlopers, including some previously published as high-redshift candidates. Our high-redshift conclusion is more conservative than if we had neglected a Bayesian photometric redshift prior. Given CLASH observations of 17 high-mass clusters to date, our discoveries of MACS0647-JD at z ∼ 10.8 and MACS1149-JD at z ∼ 9.6 are consistent with a lensed luminosity function extrapolated from lower redshifts. This would suggest that low-luminosity galaxies could have reionized the universe. However, given the significant uncertainties based on only two galaxies, we cannot yet rule out the sharp drop-off in number counts at z ≳ 10 suggested by field searches.

Growing observational evidence now indicates that nebular line emission has a significant impact on the rest-frame optical fluxes of z~5-7 galaxies observed with Spitzer. This line emission makes z~5-7 galaxies appear more massive, with lower specific star formation rates. However, corrections for this line emission have been very difficult to perform reliably due to huge uncertainties on the overall strength of such emission at z>~5.5. Here, we present the most direct observational evidence yet for ubiquitous high-EW [OIII]+Hbeta line emission in Lyman-break galaxies at z~7, while also presenting a strategy for an improved measurement of the sSFR at z~7. We accomplish this through the selection of bright galaxies in the narrow redshift window z~6.6-7.0 where the IRAC 4.5 micron flux provides a clean measurement of the stellar continuum light. Observed 4.5 micron fluxes in this window contrast with the 3.6 micron fluxes which are contaminated by the prominent [OIII]+Hbeta lines. To ensure a high S/N for our IRAC flux measurements, we consider only the brightest (H_{160}<26 mag) magnified galaxies we have identified in CLASH and other programs targeting galaxy clusters. Remarkably, the mean rest-frame optical color for our bright seven-source sample is very blue, [3.6]-[4.5]=-0.9+/-0.3. Such blue colors cannot be explained by the stellar continuum light and require that the rest-frame EW of [OIII]+Hbeta be greater than 637 Angstroms for the average source. The bluest four sources from our seven-source sample require an even more extreme EW of 1582 Angstroms. Our derived lower limit for the mean [OIII]+Hbeta EW could underestimate the true EW by ~2x based on a simple modeling of the redshift distribution of our sources. We can also set a robust lower limit of >~4 Gyr^-1 on the specific star formation rates based on the mean SED for our seven-source sample. (abridged)

We present a joint shear-and-magnification weak-lensing analysis of a sample of 16 X-ray-regular and 4 high-magnification galaxy clusters at 0.19 ≲ z ≲ 0.69 selected from the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH). Our analysis uses wide-field multi-color imaging, taken primarily with Suprime-Cam on the Subaru Telescope. From a stacked-shear-only analysis of the X-ray-selected subsample, we detect the ensemble-averaged lensing signal with a total signal-to-noise ratio of ≃ 25 in the radial range of 200–3500 kpc h−1, providing integrated constraints on the halo profile shape and concentration–mass relation. The stacked tangential-shear signal is well described by a family of standard density profiles predicted for dark-matter-dominated halos in gravitational equilibrium, namely, the Navarro–Frenk–White (NFW), truncated variants of NFW, and Einasto models. For the NFW model, we measure a mean concentration of at an effective halo mass of . We show that this is in excellent agreement with Λ cold dark matter (ΛCDM) predictions when the CLASH X-ray selection function and projection effects are taken into account. The best-fit Einasto shape parameter is , which is consistent with the NFW-equivalent Einasto parameter of ∼0.18. We reconstruct projected mass density profiles of all CLASH clusters from a joint likelihood analysis of shear-and-magnification data and measure cluster masses at several characteristic radii assuming an NFW density profile. We also derive an ensemble-averaged total projected mass profile of the X-ray-selected subsample by stacking their individual mass profiles. The stacked total mass profile, constrained by the shear+magnification data, is shown to be consistent with our shear-based halo-model predictions, including the effects of surrounding large-scale structure as a two-halo term, establishing further consistency in the context of the ΛCDM model.

We present a detailed strong lensing, weak lensing and X-ray analysis of Abell 2744 (z = 0.308), one of the most actively merging galaxy clusters known. It appears to have unleashed `dark', `ghost', `bullet' and `stripped' substructures, each ~10^14 solar masses. The phenomenology is complex and will present a challenge for numerical simulations to reproduce. With new, multiband HST imaging, we identify 34 strongly-lensed images of 11 galaxies around the massive Southern `core'. Combining this with weak lensing data from HST, VLT and Subaru, we produce the most detailed mass map of this cluster to date. We also perform an independent analysis of archival Chandra X-ray imaging. Our analyses support a recent claim that the Southern core and Northwestern substructure are post-merger and exhibit morphology similar to the Bullet Cluster viewed from an angle. From the separation between X-ray emitting gas and lensing mass in the Southern core, we derive a new and independent constraint on the self-interaction cross section of dark matter particles sigma/m <~ 3 \pm 1 cm^2 g^-1. In the Northwestern substructure, the gas, dark matter, and galaxy components have become separated by much larger distances. Most curiously, the `ghost' clump (primarily gas) leads the `dark' clump (primarily dark matter) by more than 150 kpc. We propose an enhanced `ram-pressure slingshot' scenario which may have yielded this reversal of components with such a large separation, but needs further confirmation by follow-up observations and numerical simulations. A secondary merger involves a second `bullet' clump in the North and an extremely `stripped' clump to the West. The latter appears to exhibit the largest separation between dark matter and X-ray emitting baryons detected to date in our sky.

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not.The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d'enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.