We present UV, optical, and NIR photometry of the first electromagnetic counterpart to a gravitational wave source from Advanced LIGO/Virgo, the binary neutron star merger GW170817. Our data set extends from the discovery of the optical counterpart at $0.47$ days to $18.5$ days post-merger, and includes observations with the Dark Energy Camera (DECam), Gemini-South/FLAMINGOS-2 (GS/F2), and the {\it Hubble Space Telescope} ({\it HST}). The spectral energy distribution (SED) inferred from this photometry at $0.6$ days is well described by a blackbody model with $T\approx 8300$ K, a radius of $R\approx 4.5\times 10^{14}$ cm (corresponding to an expansion velocity of $v\approx 0.3c$), and a bolometric luminosity of $L_{\rm bol}\approx 5\times10^{41}$ erg s$^{-1}$. At $1.5$ days we find a multi-component SED across the optical and NIR, and subsequently we observe rapid fading in the UV and blue optical bands and significant reddening of the optical/NIR colors. Modeling the entire data set we find that models with heating from radioactive decay of $^{56}$Ni, or those with only a single component of opacity from $r$-process elements, fail to capture the rapid optical decline and red optical/NIR colors. Instead, models with two components consistent with lanthanide-poor and lanthanide-rich ejecta provide a good fit to the data, the resulting "blue" component has $M_\mathrm{ej}^\mathrm{blue}\approx 0.01$ M$_\odot$ and $v_\mathrm{ej}^\mathrm{blue}\approx 0.3$c, and the "red" component has $M_\mathrm{ej}^\mathrm{red}\approx 0.04$ M$_\odot$ and $v_\mathrm{ej}^\mathrm{red}\approx 0.1$c. These ejecta masses are broadly consistent with the estimated $r$-process production rate required to explain the Milky Way $r$-process abundances, providing the first evidence that BNS mergers can be a dominant site of $r$-process enrichment.

Abstract We present the Dark Energy Camera (DECam) discovery of the optical counterpart of the first binary neutron star merger detected through gravitational-wave emission, GW170817. Our observations commenced 10.5 hr post-merger, as soon as the localization region became accessible from Chile. We imaged 70 deg 2 in the i and z bands, covering 93% of the initial integrated localization probability, to a depth necessary to identify likely optical counterparts (e.g., a kilonova). At 11.4 hr post-merger we detected a bright optical transient located  from the nucleus of NGC 4993 at redshift z = 0.0098, consistent (for  km s −1 Mpc −1 ) with the distance of 40 ± 8 Mpc reported by the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration (LVC). At detection the transient had magnitudes of  and  , and thus an absolute magnitude of  , in the luminosity range expected for a kilonova. We identified 1500 potential transient candidates. Applying simple selection criteria aimed at rejecting background events such as supernovae, we find the transient associated with NGC 4993 as the only remaining plausible counterpart, and reject chance coincidence at the 99.5% confidence level. We therefore conclude that the optical counterpart we have identified near NGC 4993 is associated with GW170817. This discovery ushers in the era of multi-messenger astronomy with gravitational waves and demonstrates the power of DECam to identify the optical counterparts of gravitational-wave sources.