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.

This overview paper describes the legacy prospect and discovery potential of the Dark Energy Survey (DES) beyond cosmological studies, illustrating it with examples from the DES early data.DES is using a wide-field camera (DECam) on the 4 m Blanco Telescope in Chile to image 5000 sq deg of the sky in five filters (grizY).

We present the first cosmology results from large-scale structure using the full 5000 deg2 of imaging data from the Dark Energy Survey (DES) Data Release 1. We perform an analysis of large-scale structure combining three two-point correlation functions (3×2pt): (i) cosmic shear using 100 million source galaxies, (ii) galaxy clustering, and (iii) the cross-correlation of source galaxy shear with lens galaxy positions, galaxy–galaxy lensing. To achieve the cosmological precision enabled by these measurements has required updates to nearly every part of the analysis from DES Year 1, including the use of two independent galaxy clustering samples, modeling advances, and several novel improvements in the calibration of gravitational shear and photometric redshift inference. The analysis was performed under strict conditions to mitigate confirmation or observer bias; we describe specific changes made to the lens galaxy sample following unblinding of the results and tests of the robustness of our results to this decision. We model the data within the flat ΛCDM and wCDM cosmological models, marginalizing over 25 nuisance parameters. We find consistent cosmological results between the three two-point correlation functions; their combination yields clustering amplitude S8=0.776+0.017−0.017 and matter density Ωm=0.339+0.032−0.031 in ΛCDM, mean with 68% confidence limits; S8=0.775+0.026−0.024, Ωm=0.352+0.035−0.041, and dark energy equation-of-state parameter w=−0.98+0.32−0.20 in wCDM. These constraints correspond to an improvement in signal-to-noise of the DES Year 3 3×2pt data relative to DES Year 1 by a factor of 2.1, about 20% more than expected from the increase in observing area alone. This combination of DES data is consistent with the prediction of the model favored by the Planck 2018 cosmic microwave background (CMB) primary anisotropy data, which is quantified with a probability-to-exceed p=0.13–0.48. We find better agreement between DES 3×2pt and Planck than in DES Y1, despite the significantly improved precision of both. When combining DES 3×2pt data with available baryon acoustic oscillation, redshift-space distortion, and type Ia supernovae data, we find p=0.34. Combining all of these datasets with Planck CMB lensing yields joint parameter constraints of S8=0.812+0.008−0.008, Ωm=0.306+0.004−0.005, h=0.680+0.004−0.003, and ∑mν<0.13 eV (95% C.L.) in ΛCDM; S8=0.812+0.008−0.008, Ωm=0.302+0.006−0.006, h=0.687+0.006−0.007, and w=−1.031+0.030−0.027 in wCDM.21 MoreReceived 1 June 2021Accepted 22 October 2021DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.023520© 2022 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasCosmological parametersCosmologyDark energyDark matterPhysical SystemsLarge scale structure of the UniverseGravitation, Cosmology & Astrophysics

We describe redMaPPer, a new red sequence cluster finder specifically designed to make optimal use of ongoing and near-future large photometric surveys. The algorithm has multiple attractive features: (1) it can iteratively self-train the red sequence model based on a minimal spectroscopic training sample, an important feature for high-redshift surveys. (2) It can handle complex masks with varying depth. (3) It produces cluster-appropriate random points to enable large-scale structure studies. (4) All clusters are assigned a full redshift probability distribution P(z). (5) Similarly, clusters can have multiple candidate central galaxies, each with corresponding centering probabilities. (6) The algorithm is parallel and numerically efficient: it can run a Dark Energy Survey-like catalog in ∼500 CPU hours. (7) The algorithm exhibits excellent photometric redshift performance, the richness estimates are tightly correlated with external mass proxies, and the completeness and purity of the corresponding catalogs are superb. We apply the redMaPPer algorithm to ∼10, 000 deg2 of SDSS DR8 data and present the resulting catalog of ∼25,000 clusters over the redshift range z ∈ [0.08, 0.55]. The redMaPPer photometric redshifts are nearly Gaussian, with a scatter σz ≈ 0.006 at z ≈ 0.1, increasing to σz ≈ 0.02 at z ≈ 0.5 due to increased photometric noise near the survey limit. The median value for |Δz|/(1 + z) for the full sample is 0.006. The incidence of projection effects is low (⩽5%). Detailed performance comparisons of the redMaPPer DR8 cluster catalog to X-ray and Sunyaev–Zel'dovich catalogs are presented in a companion paper.

We study the impact of setting initial conditions in numerical simulations using the standard procedure based on the Zel'dovich approximation (ZA). As it is well known from the perturbation theory, ZA initial conditions have incorrect second- and higher-order growth and therefore excite long-lived transients in the evolution of the statistical properties of density and velocity fields. We also study the improvement brought by using more accurate initial conditions based on second-order Lagrangian perturbation theory (2LPT). We show that 2LPT initial conditions reduce transients significantly and thus are much more appropriate for numerical simulations devoted to precision cosmology. Using controlled numerical experiments with ZA and 2LPT initial conditions, we show that simulations started at redshift zi= 49 using the ZA underestimate the power spectrum in the non-linear regime by about 2, 4 and 8 per cent at z= 0, 1, and 3, respectively, whereas the mass function of dark matter haloes is underestimated by 5 per cent at m= 1015 M⊙ h−1 (z= 0) and 10 per cent at m= 2 × 1014 M⊙ h−1 (z= 1). The clustering of haloes is also affected to the few per cent level at z= 0. These systematics effects are typically larger than statistical uncertainties in recent mass function and power spectrum fitting formulae extracted from numerical simulations. At large scales, the measured transients in higher-order correlations can be understood from first principle calculations based on perturbation theory.

We present a joint cosmological analysis of weak gravitational lensing observations from the Kilo-Degree Survey (KiDS-1000), with redshift-space galaxy clustering observations from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and galaxy-galaxy lensing observations from the overlap between KiDS-1000, BOSS, and the spectroscopic 2-degree Field Lensing Survey. This combination of large-scale structure probes breaks the degeneracies between cosmological parameters for individual observables, resulting in a constraint on the structure growth parameter S 8 = σ 8 √(Ω m /0.3) = 0.766 −0.014 +0.020 , which has the same overall precision as that reported by the full-sky cosmic microwave background observations from Planck . The recovered S 8 amplitude is low, however, by 8.3 ± 2.6% relative to Planck . This result builds from a series of KiDS-1000 analyses where we validate our methodology with variable depth mock galaxy surveys, our lensing calibration with image simulations and null-tests, and our optical-to-near-infrared redshift calibration with multi-band mock catalogues and a spectroscopic-photometric clustering analysis. The systematic uncertainties identified by these analyses are folded through as nuisance parameters in our cosmological analysis. Inspecting the offset between the marginalised posterior distributions, we find that the S 8 -difference with Planck is driven by a tension in the matter fluctuation amplitude parameter, σ 8 . We quantify the level of agreement between the cosmic microwave background and our large-scale structure constraints using a series of different metrics, finding differences with a significance ranging between ∼3 σ , when considering the offset in S 8 , and ∼2 σ , when considering the full multi-dimensional parameter space.

We describe the first public data release of the Dark Energy Survey, DES DR1, consisting of reduced single-epoch images, co-added images, co-added source catalogs, and associated products and services assembled over the first 3 yr of DES science operations. DES DR1 is based on optical/near-infrared imaging from 345 distinct nights (2013 August to 2016 February) by the Dark Energy Camera mounted on the 4 m Blanco telescope at the Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile. We release data from the DES wide-area survey covering ∼5000 deg2 of the southern Galactic cap in five broad photometric bands, grizY. DES DR1 has a median delivered point-spread function of , r = 0.96, i = 0.88, z = 0.84, and Y = 090 FWHM, a photometric precision of <1% in all bands, and an astrometric precision of 151 . The median co-added catalog depth for a 195 diameter aperture at signal-to-noise ratio (S/N) = 10 is g = 24.33, r = 24.08, i = 23.44, z = 22.69, and Y = 21.44 . DES DR1 includes nearly 400 million distinct astronomical objects detected in ∼10,000 co-add tiles of size 0.534 deg2 produced from ∼39,000 individual exposures. Benchmark galaxy and stellar samples contain ∼310 million and ∼80 million objects, respectively, following a basic object quality selection. These data are accessible through a range of interfaces, including query web clients, image cutout servers, jupyter notebooks, and an interactive co-add image visualization tool. DES DR1 constitutes the largest photometric data set to date at the achieved depth and photometric precision.

We develop a new formalism to study nonlinear evolution in the growth of large-scale structure, by following the dynamics of gravitational clustering as it builds up in time. This approach is conveniently represented by Feynman diagrams constructed in terms of three objects: the initial conditions (e.g. perturbation spectrum), the vertex (describing nonlinearities) and the propagator (describing linear evolution). We show that loop corrections to the linear power spectrum organize themselves into two classes of diagrams: one corresponding to mode-coupling effects, the other to a renormalization of the propagator. Resummation of the latter gives rise to a quantity that measures the memory of perturbations to initial conditions as a function of scale. As a result of this, we show that a well-defined (renormalized) perturbation theory follows, in the sense that each term in the remaining mode-coupling series dominates at some characteristic scale and is subdominant otherwise. This is unlike standard perturbation theory, where different loop corrections can become of the same magnitude in the nonlinear regime. In companion papers we compare the resummation of the propagator with numerical simulations, and apply these results to the calculation of the nonlinear power spectrum. Remarkably, the expressions in renormalized perturbation theory can be written in a way that closely resembles the halo model.

We report the discovery of eight new ultra-faint dwarf galaxy candidates in the second year of optical imaging data from the Dark Energy Survey (DES). Six of these candidates are detected at high confidence, while two lower-confidence candidates are identified in regions of non-uniform survey coverage. The new stellar systems are found by three independent automated search techniques and are identified as overdensities of stars, consistent with the isochrone and luminosity function of an old and metal-poor simple stellar population. The new systems are faint (Mv > -4.7 mag) and span a range of physical sizes (17 pc < $r_{1/2}$ < 181 pc) and heliocentric distances (25 kpc < D < 214 kpc). All of the new systems have central surface brightnesses consistent with known ultra-faint dwarf galaxies (\mu < 27.5 mag arcsec$^{-2}$). Roughly half of the DES candidates are more distant, less luminous, and/or have lower surface brightnesses than previously known Milky Way satellite galaxies. Most of the candidates are found in the southern part of the DES footprint close to the Magellanic Clouds. We find that the DES data alone exclude (p < 0.001) a spatially isotropic distribution of Milky Way satellites and that the observed distribution can be well, though not uniquely, described by an association between several of the DES satellites and the Magellanic system. Our model predicts that the full sky may hold ~100 ultra-faint galaxies with physical properties comparable to the DES satellites and that 20-30% of these would be spatially associated with the Magellanic Clouds.

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.