The Palomar Transient Factory (PTF) is a fully-automated, wide-field survey aimed at a systematic exploration of the optical transient sky. The transient survey is performed using a new 8.1 square degree camera installed on the 48-inch Samuel Oschin telescope at Palomar Observatory; colors and light curves for detected transients are obtained with the automated Palomar 60-inch telescope. PTF uses eighty percent of the 1.2-m and fifty percent of the 1.5-m telescope time. With an exposure of 60-s the survey reaches a depth of approximately 21.3 in g' and 20.6 in R (5 sigma, median seeing). Four major experiments are planned for the five-year project: 1) a 5-day cadence supernova search; 2) a rapid transient search with cadences between 90 seconds and 1 day; 3) a search for eclipsing binaries and transiting planets in Orion; and 4) a 3-pi sr deep H-alpha survey. PTF provides automatic, realtime transient classification and follow up, as well as a database including every source detected in each frame. This paper summarizes the PTF project, including several months of on-sky performance tests of the new survey camera, the observing plans and the data reduction strategy. We conclude by detailing the first 51 PTF optical transient detections, found in commissioning data.

The Palomar Transient Factory (PTF) is a wide-field experiment designed to investigate the optical transient and variable sky on time scales from minutes to years. PTF uses the CFH12k mosaic camera, with a field of view of 7.9 deg2 and a plate scale of 1'' pixel-1, mounted on the Palomar Observatory 48 inch Samuel Oschin Telescope. The PTF operation strategy is devised to probe the existing gaps in the transient phase space and to search for theoretically predicted, but not yet detected, phenomena, such as fallback supernovae, macronovae,. Ia supernovae, and the orphan afterglows of gamma-ray bursts. PTF will also discover many new members of known source classes, from cataclysmic variables in their various avatars to supernovae and active galactic nuclei, and will provide important insights into understanding galactic dynamics (through RR Lyrae stars) and the solar system (asteroids and near-Earth objects). The lessons that can be learned from PTF will be essential for the preparation of future large synoptic sky surveys like the Large Synoptic Survey Telescope. In this article we present the scientific motivation for PTF and describe in detail the goals and expectations for this experiment.

Supernovae (SNe) are stellar explosions driven by gravitational or thermonuclear energy, observed as electromagnetic radiation emitted over weeks or more. In all known SNe, this radiation comes from internal energy deposited in the outflowing ejecta by either radioactive decay of freshly-synthesized elements (typically 56Ni), stored heat deposited by the explosion shock in the envelope of a supergiant star, or interaction between the SN debris and slowly-moving, hydrogen-rich circumstellar material. Here we report on a new class of luminous SNe whose observed properties cannot be explained by any of these known processes. These include four new SNe we have discovered, and two previously unexplained events (SN 2005ap; SCP 06F6) that we can now identify as members. These SNe are all ~10 times brighter than SNe Ia, do not show any trace of hydrogen, emit significant ultra-violet (UV) flux for extended periods of time, and have late-time decay rates which are inconsistent with radioactivity. Our data require that the observed radiation is emitted by hydrogen-free material distributed over a large radius (~10^15 cm) and expanding at high velocities (>10^4 km s^-1). These long-lived, UV-luminous events can be observed out to redshifts z>4 and offer an excellent opportunity to study star formation in, and the interstellar medium of, primitive distant galaxies.

Type Ia supernovae have been used empirically as 'standard candles' to demonstrate the acceleration of the expansion of the Universe even though fundamental details, such as the nature of their progenitor systems and how the stars explode, remain a mystery. There is consensus that a white dwarf star explodes after accreting matter in a binary system, but the secondary body could be anything from a main-sequence star to a red giant, or even another white dwarf. This uncertainty stems from the fact that no recent type Ia supernova has been discovered close enough to Earth to detect the stars before explosion. Here we report early observations of supernova SN 2011fe in the galaxy M101 at a distance from Earth of 6.4 megaparsecs. We find that the exploding star was probably a carbon-oxygen white dwarf, and from the lack of an early shock we conclude that the companion was probably a main-sequence star. Early spectroscopy shows high-velocity oxygen that slows rapidly, on a timescale of hours, and extensive mixing of newly synthesized intermediate-mass elements in the outermost layers of the supernova. A companion paper uses pre-explosion images to rule out luminous red giants and most helium stars as companions to the progenitor.

Variable X-ray and gamma-ray emission is characteristic of the most extreme physical processes in the Universe, and studying the sources of these energetic photons has been a major driver in astronomy for the past 50 years. Here we present multiwavelength observations of a unique gamma-ray selected transient, discovered by Swift, which was accompanied by bright emission across the electromagnetic spectrum, and whose properties are unlike any previously observed source. We pinpoint the event to the center of a small, star-forming galaxy at redshift z=0.3534. Its high-energy emission has lasted much longer than any gamma-ray burst, while its peak luminosity was about 100 times higher than the brightest active galactic nuclei. The association of the outburst with the center of its host galaxy suggests that this phenomenon has its origin in a new, rare mechanism associated with a massive black hole in the nucleus of a galaxy.

Stellar Explosions Stars that are born with masses greater than eight times that of the Sun end their lives in luminous explosions known as supernovae. Over the past decade, access to improved sky surveys has revealed rare types of supernovae that are much more luminous than any of those that were known before. Gal-Yam (p. 927 ) reviews these superluminous events and groups them into three classes that share common observational and physical characteristics. Gamma-ray bursts are another type of extreme explosive events related to the death of massive stars, which occur once per day somewhere in the universe and produce short-lived bursts of gamma-ray light. Gehrels and Mészáros (p. 932 ) review what has been learned about these events since the launch of NASA's Swift (2004) and Fermi (2008) satellites. The current interpretation is that gamma-ray bursts are related to the formation of black holes. Type Ia supernovae are used as cosmological distance indicators. They are thought to be the result of the thermonuclear explosion of white dwarf stars in binary systems, but the nature of the stellar companion to the white dwarf is still debated. Dilday et al. (p. 942 ) report high-resolution spectroscopy of the supernova PTF 11kx, which was detected on 26 January 2011 by the Palomar Transient Factory survey. The data suggest a red giant star companion whose material got transferred to the white dwarf.

We conducted a survey of nearby binary systems composed of main sequence stars of spectral types F and G in order to improve our understanding of the hierarchical nature of multiple star systems. Using Robo-AO, the first robotic adaptive optics instrument, we collected high angular resolution images with deep and well-defined detection limits in the Sloan Digital Sky Survey i' band. A total of 695 components belonging to 595 systems were observed. We prioritized observations of faint secondary components with separations over 10'' to quantify the still poorly constrained frequency of their subsystems. Of the 214 secondaries observed, 39 contain such subsystems; 19 of those were discovered with Robo-AO. The selection-corrected frequency of secondary subsystems with periods from 103.5 to 105 days is 0.12 ± 0.03, the same as the frequency of such companions to the primary. Half of the secondary pairs belong to quadruple systems where the primary is also a close pair, showing that the presence of subsystems in both components of the outer binary is correlated. The relatively large abundance of 2+2 quadruple systems is a new finding, and will require more exploration of the formation mechanism of multiple star systems. We also targeted close binaries with periods less than 100 yr, searching for their distant tertiary components, and discovered 17 certain and 2 potential new triples. In a subsample of 241 close binaries, 71 have additional outer companions. The overall frequency of tertiary components is not enhanced, compared to all (non-binary) targets, but in the range of outer periods from 106 to 107.5 days (separations on the order of 500 AU), the frequency of tertiary components is 0.16 ± 0.03, exceeding the frequency of similar systems among all targets (0.09) by almost a factor of two. Measurements of binary stars with Robo-AO allowed us to compute first orbits for 9 pairs and to improve orbits of another 11 pairs.

The chemical composition of stars hosting small exoplanets (with radii less than four Earth radii) appears to be more diverse than that of gas-giant hosts, which tend to be metal-rich. This implies that small, including Earth-size, planets may have readily formed at earlier epochs in the Universe's history when metals were more scarce. We report Kepler spacecraft observations of Kepler-444, a metal-poor Sun-like star from the old population of the Galactic thick disk and the host to a compact system of five transiting planets with sizes between those of Mercury and Venus. We validate this system as a true five-planet system orbiting the target star and provide a detailed characterization of its planetary and orbital parameters based on an analysis of the transit photometry. Kepler-444 is the densest star with detected solar-like oscillations. We use asteroseismology to directly measure a precise age of 11.2+/-1.0 Gyr for the host star, indicating that Kepler-444 formed when the Universe was less than 20% of its current age and making it the oldest known system of terrestrial-size planets. We thus show that Earth-size planets have formed throughout most of the Universe's 13.8-billion-year history, leaving open the possibility for the existence of ancient life in the Galaxy. The age of Kepler-444 not only suggests that thick-disk stars were among the hosts to the first Galactic planets, but may also help to pinpoint the beginning of the era of planet formation.

We present 197 planet candidates discovered using data from the first year of the NASA K2 mission (Campaigns 0-4), along with the results of an intensive program of photometric analyses, stellar spectroscopy, high-resolution imaging, and statistical validation. We distill these candidates into sets of 104 validated planets (57 in multi-planet systems), 30 false positives, and 63 remaining candidates. Our validated systems span a range of properties, with median values of R_P = 2.3 R_E, P=8.6 d, Tef = 5300 K, and Kp=12.7 mag. Stellar spectroscopy provides precise stellar and planetary parameters for most of these systems. We show that K2 has increased by 30% the number of small planets known to orbit moderately bright stars (1-4 R_E, Kp=9-13 mag). Of particular interest are 37 planets smaller than 2 R_E, 15 orbiting stars brighter than Kp=11.5, five receiving Earth-like irradiation levels, and several multi-planet systems -- including four planets orbiting the M dwarf K2-72 near mean-motion resonances. By quantifying the likelihood that each candidate is a planet we demonstrate that our candidate sample has an overall false positive rate of 15-30%, with rates substantially lower for small candidates (< 2 R_E) and larger for candidates with radii > 8 R_E and/or with P < 3 d. Extrapolation of the current planetary yield suggests that K2 will discover between 500-1000 planets in its planned four-year mission -- assuming sufficient follow-up resources are available. Efficient observing and analysis, together with an organized and coherent follow-up strategy, is essential to maximize the efficacy of planet-validation efforts for K2, TESS, and future large-scale surveys.