The Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey (HerMES) is a legacy programme designed to map a set of nested fields totalling ∼380 deg2. Fields range in size from 0.01 to ∼20 deg2, using the Herschel-Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE) (at 250, 350 and 500 μm) and the Herschel-Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) (at 100 and 160 μm), with an additional wider component of 270 deg2 with SPIRE alone. These bands cover the peak of the redshifted thermal spectral energy distribution from interstellar dust and thus capture the reprocessed optical and ultraviolet radiation from star formation that has been absorbed by dust, and are critical for forming a complete multiwavelength understanding of galaxy formation and evolution.

Massive present-day early-type (elliptical and lenticular) galaxies probably gained the bulk of their stellar mass and heavy elements through intense, dust-enshrouded starbursts--that is, increased rates of star formation--in the most massive dark-matter haloes at early epochs. However, it remains unknown how soon after the Big Bang massive starburst progenitors exist. The measured redshift (z) distribution of dusty, massive starbursts has long been suspected to be biased low in z owing to selection effects, as confirmed by recent findings of systems with redshifts as high as ~5 (refs 2-4). Here we report the identification of a massive starburst galaxy at z = 6.34 through a submillimetre colour-selection technique. We unambiguously determined the redshift from a suite of molecular and atomic fine-structure cooling lines. These measurements reveal a hundred billion solar masses of highly excited, chemically evolved interstellar medium in this galaxy, which constitutes at least 40 per cent of the baryonic mass. A 'maximum starburst' converts the gas into stars at a rate more than 2,000 times that of the Milky Way, a rate among the highest observed at any epoch. Despite the overall downturn in cosmic star formation towards the highest redshifts, it seems that environments mature enough to form the most massive, intense starbursts existed at least as early as 880 million years after the Big Bang.

We present a measurement of the angular power spectrum of the cosmic microwave background (CMB) using data from the South Pole Telescope (SPT). The data consist of 790 deg2 of sky observed at 150 GHz during 2008 and 2009. Here we present the power spectrum over the multipole range 650 < ℓ < 3000, where it is dominated by primary CMB anisotropy. We combine this power spectrum with the power spectra from the seven-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) data release to constrain cosmological models. We find that the SPT and WMAP data are consistent with each other and, when combined, are well fit by a spatially flat, ΛCDM cosmological model. The SPT+WMAP constraint on the spectral index of scalar fluctuations is ns = 0.9663 ± 0.0112. We detect, at ∼5σ significance, the effect of gravitational lensing on the CMB power spectrum, and find its amplitude to be consistent with the ΛCDM cosmological model. We explore a number of extensions beyond the ΛCDM model. Each extension is tested independently, although there are degeneracies between some of the extension parameters. We constrain the tensor-to-scalar ratio to be r < 0.21 (95% CL) and constrain the running of the scalar spectral index to be dns/dln k = −0.024 ± 0.013. We strongly detect the effects of primordial helium and neutrinos on the CMB; a model without helium is rejected at 7.7σ, while a model without neutrinos is rejected at 7.5σ. The primordial helium abundance is measured to be Yp = 0.296 ± 0.030, and the effective number of relativistic species is measured to be Neff = 3.85 ± 0.62. The constraints on these models are strengthened when the CMB data are combined with measurements of the Hubble constant and the baryon acoustic oscillation feature. Notable improvements include ns = 0.9668 ± 0.0093, r < 0.17 (95% CL), and Neff = 3.86 ± 0.42. The SPT+WMAP data show a mild preference for low power in the CMB damping tail, and while this preference may be accommodated by models that have a negative spectral running, a high primordial helium abundance, or a high effective number of relativistic species, such models are disfavored by the abundance of low-redshift galaxy clusters.

We describe the design of a new polarization sensitive receiver, SPT-3G, for the 10-meter South Pole Telescope (SPT). The SPT-3G receiver will deliver a factor of ~20 improvement in mapping speed over the current receiver, SPTpol. The sensitivity of the SPT-3G receiver will enable the advance from statistical detection of B-mode polarization anisotropy power to high signal-to-noise measurements of the individual modes, i.e., maps. This will lead to precise (~0.06 eV) constraints on the sum of neutrino masses with the potential to directly address the neutrino mass hierarchy. It will allow a separation of the lensing and inflationary B-mode power spectra, improving constraints on the amplitude and shape of the primordial signal, either through SPT-3G data alone or in combination with BICEP-2/KECK, which is observing the same area of sky. The measurement of small-scale temperature anisotropy will provide new constraints on the epoch of reionization. Additional science from the SPT-3G survey will be significantly enhanced by the synergy with the ongoing optical Dark Energy Survey (DES), including: a 1% constraint on the bias of optical tracers of large-scale structure, a measurement of the differential Doppler signal from pairs of galaxy clusters that will test General Relativity on ~200 Mpc scales, and improved cosmological constraints from the abundance of clusters of galaxies.

Gravitational lensing of the cosmic microwave background generates a curl pattern in the observed polarization. This "B-mode" signal provides a measure of the projected mass distribution over the entire observable Universe and also acts as a contaminant for the measurement of primordial gravity-wave signals. In this Letter we present the first detection of gravitational lensing B modes, using first-season data from the polarization-sensitive receiver on the South Pole Telescope (SPTpol). We construct a template for the lensing B-mode signal by combining E-mode polarization measured by SPTpol with estimates of the lensing potential from a Herschel-SPIRE map of the cosmic infrared background. We compare this template to the B modes measured directly by SPTpol, finding a non-zero correlation at 7.7 sigma significance. The correlation has an amplitude and scale-dependence consistent with theoretical expectations, is robust with respect to analysis choices, and constitutes the first measurement of a powerful cosmological observable.

We use South Pole Telescope data from 2008 and 2009 to detect the non-Gaussian signature in the cosmic microwave background (CMB) produced by gravitational lensing and to measure the power spectrum of the projected gravitational potential. We constrain the ratio of the measured amplitude of the lensing signal to that expected in a fiducial ΛCDM cosmological model to be 0.86 ± 0.16, with no lensing disfavored at 6.3σ. Marginalizing over ΛCDM cosmological models allowed by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP7) results in a measurement of Alens = 0.90 ± 0.19, indicating that the amplitude of matter fluctuations over the redshift range 0.5 ≲ z ≲ 5 probed by CMB lensing is in good agreement with predictions. We present the results of several consistency checks. These include a clear detection of the lensing signature in CMB maps filtered to have no overlap in Fourier space, as well as a "curl" diagnostic that is consistent with the signal expected for ΛCDM. We perform a detailed study of bias in the measurement due to noise, foregrounds, and other effects and determine that these contributions are relatively small compared to the statistical uncertainty in the measurement. We combine this lensing measurement with results from WMAP7 to improve constraints on cosmological parameters when compared to those from WMAP7 alone: we find a factor of 3.9 improvement in the measurement of the spatial curvature of the universe, Ωk = −0.0014 ± 0.0172; a 10% improvement in the amplitude of matter fluctuations within ΛCDM, σ8 = 0.810 ± 0.026; and a 5% improvement in the dark energy equation of state, w = −1.04 ± 0.40. When compared with the measurement of w provided by the combination of WMAP7 and external constraints on the Hubble parameter, the addition of the lensing data improves the measurement of w by 15% to give w = −1.087 ± 0.096.

We combine Dark Energy Survey Year 1 clustering and weak lensing data with Baryon Acoustic Oscillations (BAO) and Big Bang Nucleosynthesis (BBN) experiments to constrain the Hubble constant. Assuming a flat $\Lambda$CDM model with minimal neutrino mass ($\sum m_\nu = 0.06$ eV) we find $H_0=67.2^{+1.2}_{-1.0}$ km/s/Mpc (68% CL). This result is completely independent of Hubble constant measurements based on the distance ladder, Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies (both temperature and polarization), and strong lensing constraints. There are now five data sets that: a) have no shared observational systematics; and b) each constrain the Hubble constant with a few percent level precision. We compare these five independent measurements, and find that, as a set, the differences between them are significant at the $2.1\sigma$ level ($\chi^2/dof=20.1/11$, probability to exceed=4%). This difference is low enough that we consider the data sets statistically consistent with each other. The best fit Hubble constant obtained by combining all five data sets is $H_0 = 69.1^{+0.4}_{-0.6}$ km/s/Mpc.

We present a catalog of galaxy cluster candidates, selected through their Sunyaev–Zel'dovich (SZ) effect signature in the first 720 deg2 of the South Pole Telescope (SPT) survey. This area was mapped with the SPT in the 2008 and 2009 austral winters to a depth of ∼18 μKCMB-arcmin at 150 GHz; 550 deg2 of it was also mapped to ∼44 μKCMB-arcmin at 95 GHz. Based on optical imaging of all 224 candidates and near-infrared imaging of the majority of candidates, we have found optical and/or infrared counterparts for 158, which we then classify as confirmed galaxy clusters. Of these 158 clusters, 135 were first identified as clusters in SPT data, including 117 new discoveries reported in this work. This catalog triples the number of confirmed galaxy clusters discovered through the SZ effect. We report photometrically derived (and in some cases spectroscopic) redshifts for confirmed clusters and redshift lower limits for the remaining candidates. The catalog extends to high redshift with a median redshift of z = 0.55 and maximum confirmed redshift of z = 1.37. Forty-five of the clusters have counterparts in the ROSAT bright or faint source catalogs from which we estimate X-ray fluxes. Based on simulations, we expect the catalog to be nearly 100% complete above M500 ≈ 5 × 1014 M☉ h−170 at z ≳ 0.6. There are 121 candidates detected at signal-to-noise ratio greater than five, at which the catalog purity is measured to be 95%. From this high-purity subsample, we exclude the z < 0.3 clusters and use the remaining 100 candidates to improve cosmological constraints following the method presented by Benson et al. Adding the cluster data to CMB + BAO + H0 data leads to a preference for non-zero neutrino masses while only slightly reducing the upper limit on the sum of neutrino masses to ∑mν < 0.38 eV (95% CL). For a spatially flat wCDM cosmological model, the addition of this catalog to the CMB + BAO + H0 + SNe results yields σ8 = 0.807 ± 0.027 and w = −1.010 ± 0.058, improving the constraints on these parameters by a factor of 1.4 and 1.3, respectively. The larger cluster catalog presented in this work leads to slight improvements in cosmological constraints from those presented by Benson et al. These cosmological constraints are currently limited by uncertainty in the cluster mass calibration, not the size or quality of the cluster catalog. A multi-wavelength observation program to improve the cluster mass calibration will make it possible to realize the full potential of the final 2500 deg2 SPT cluster catalog to constrain cosmology.

We present the first three-frequency South Pole Telescope (SPT) cosmic microwave background (CMB) power spectra. The band powers presented here cover angular scales 2000 < ell < 9400 in frequency bands centered at 95, 150, and 220 GHz. At these frequencies and angular scales, a combination of the primary CMB anisotropy, thermal and kinetic Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effects, radio galaxies, and cosmic infrared background (CIB) contributes to the signal. We combine Planck and SPT data at 220 GHz to constrain the amplitude and shape of the CIB power spectrum and find strong evidence for non-linear clustering. We explore the SZ results using a variety of cosmological models for the CMB and CIB anisotropies and find them to be robust with one exception: allowing for spatial correlations between the thermal SZ effect and CIB significantly degrades the SZ constraints. Neglecting this potential correlation, we find the thermal SZ power at 150 GHz and ell = 3000 to be 3.65 +/- 0.69 muK^2, and set an upper limit on the kinetic SZ power to be less than 2.8 muK^2 at 95% confidence. When a correlation between the thermal SZ and CIB is allowed, we constrain a linear combination of thermal and kinetic SZ power: D_{3000}^{tSZ} + 0.5 D_{3000}^{kSZ} = 4.60 +/- 0.63 muK^2, consistent with earlier measurements. We use the measured thermal SZ power and an analytic, thermal SZ model calibrated with simulations to determine sigma8 = 0.807 +/- 0.016. Modeling uncertainties involving the astrophysics of the intracluster medium rather than the statistical uncertainty in the measured band powers are the dominant source of uncertainty on sigma8 . We also place an upper limit on the kinetic SZ power produced by patchy reionization; a companion paper uses these limits to constrain the reionization history of the Universe.