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.

The ALESS survey has followed up on a sample of 122 sub-millimeter sources in the Extended Chandra Deep Field South at 870 μm with the Atacama Large Millimeter Array (ALMA), allowing us to pinpoint the positions of sub-millimeter galaxies (SMGs) to ∼0.3 arcsec and to find their precise counterparts at different wavelengths. This enabled the first compilation of the multi-wavelength spectral energy distributions (SEDs) of a statistically reliable survey of SMGs. In this paper, we present a new calibration of the magphys SED modeling code that is optimized to fit these ultraviolet-to-radio SEDs of star-forming galaxies using an energy balance technique to connect the emission from stellar populations, dust attenuation, and dust emission in a physically consistent way. We derive statistically and physically robust estimates of the photometric redshifts and physical parameters (such as stellar masses, dust attenuation, star formation rates (SFRs), and dust masses) for the ALESS SMGs. We find that the ALESS SMGs have median stellar mass , median SFR , median overall V-band dust attenuation mag, median dust mass , and median average dust temperature K. We find that the average intrinsic SED of the ALESS SMGs resembles that of local ultra-luminous infrared galaxies in the infrared range, but the stellar emission of our average SMG is brighter and bluer, indicating lower dust attenuation, possibly because they are more extended. We explore how the average SEDs vary with different parameters (redshift, sub-millimeter flux, dust attenuation, and total infrared luminosity), and we provide a new set of SMG templates that can be used to interpret other SMG observations. To put the ALESS SMGs into context, we compare their stellar masses and SFRs with those of less actively star-forming galaxies at the same redshifts. We find that at , about half of the SMGs lie above the star-forming main sequence (with SFRs three times larger than normal galaxies of the same stellar mass), while half are consistent with being at the high-mass end of the main sequence. At higher redshifts (), the SMGs tend to have higher SFRs and stellar masses, but the fraction of SMGs that lie significantly above the main sequence decreases to less than a third.

We exploit ALMA 870um (345GHz) observations of submillimetre sources in the Extended Chandra Deep Field South to investigate the far-infrared properties of high-redshift submillimetre galaxies (SMGs). Using the precisely located 870um ALMA positions of 99 SMGs, together with 24um and radio imaging of this field, we deblend the Herschel/SPIRE imaging of this region to extract their far-infrared fluxes and colours. The median photometric redshifts for ALMA LESS (ALESS) SMGs which are detected in at least two SPIRE bands increases with wavelength of the peak in their SEDs, with z=2.3+/-0.2, 2.5+/-0.3 and 3.5+/-0.5 for the 250, 350 and 500-um peakers respectively. We find that 34 ALESS SMGs do not have a >3-sigma counterpart at 250, 350 or 500-um. These galaxies have a median photometric redshift of z=3.3+/-0.5, which is higher than the full ALESS SMG sample; z=2.5+/-0.2. Using the photometric redshifts together with the 250-870um photometry, we estimate the far-infrared luminosities and characteristic dust temperature of each SMG. The median infrared luminosity of the S_870um>2mJy SMGs is L_IR=(3.0+/-0.3)x10^{12}Lo(SFR=300+/-30Mo/yr). At a fixed luminosity, the characteristic dust temperature of these high-redshift SMGs is 2-3K lower than comparably luminous galaxies at z=0, reflecting the more extended star formation occurring in these systems. By extrapolating the 870um number counts to S_ 870um=1mJy, we show that the contribution of S_870um>1mJy SMGs to the cosmic star formation budget is 20% of the total over the redshift range z~1-4. We derive a median dust mass for these SMGs of M_d=(3.6+/-0.3)x10^8Mo and by adopting an appropriate gas-to-dust ratio, we estimate an average molecular mass of M_H2=(4.2+/-0.4)x10^{10}Mo. Finally, we use our estimates of the H2 masses to show that SMGs with S_870um>1mJy contain ~10% of the z~2 volume-averaged H2 mass density at this epoch.

We report the results of a pilot study with the EVLA of 12CO J=1-0 emission from four SMGs at z=2.2-2.5, each with an existing detection of CO J=3-2. Using the EVLA's most compact configuration we detect strong, broad J=1-0 line emission from all of our targets. The median line width ratio, sigma(1-0)/sigma(3-2) = 1.15 +/- 0.06, suggests that the J=1-0 is more spatially extended than the J=3-2 emission, a situation confirmed by our maps which reveal velocity structure in several cases and typical sizes of ~16 kpc FWHM. The median Tb ratio is r(3-2/1-0) = 0.55 +/- 0.05, noting that our value may be biased high because of the J=3-2-based sample selection. Naively, this suggests gas masses ~2x higher than estimates made using higher-J transitions of CO, with the discrepency due to the difference in assumed Tb ratio. We also estimate masses using the 12CO J=1-0 line and the observed global Tb ratios, assuming standard underlying Tb ratios as well as a limiting SFE, i.e. without calling upon X(CO). Using this new method, we find a median molecular gas mass of (2.5 +/- 0.8) x 10^10 Msun, with a plausible range stretching 3x higher. Even larger masses cannot be ruled out, but are not favoured by dynamical constraints: the median dynamical mass for our sample is (2.3 +/- 1.4) x 10^11 Msun. We examine the Schmidt-Kennicutt relation for all the distant galaxy populations for which CO J=1-0 or J=2-1 data are available, finding small systematic differences. These have previously been interpreted as evidence for different modes of star formation, but we argue that these differences are to be expected, given the still considerable uncertainties. Finally, we discuss the morass of degeneracies surrounding molecular gas mass estimates, the possibilities for breaking them, and the future prospects for imaging and studying cold, quiescent molecular gas at high redshifts [abridged].

We present a catalogue of nearly 3,000 submillimetre sources detected at 850um over ~5 square degrees surveyed as part of the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) SCUBA-2 Cosmology Legacy Survey (S2CLS). This is the largest survey of its kind at 850um, probing a meaningful cosmic volume at the peak of star formation activity and increasing the sample size of submillimetre galaxies selected at 850um by an order of magnitude. We describe the wide 850um survey component of S2CLS, which covers the key extragalactic survey fields: UKIDSS-UDS, COSMOS, Akari-NEP, Extended Groth Strip, Lockman Hole North, SSA22 and GOODS-North. The average 1-sigma depth of S2CLS is 1.2 mJy/beam, approaching the SCUBA-2 850um confusion limit, which we determine to be ~0.8 mJy/beam. We measure the single dish 850um number counts to unprecedented accuracy, reducing the Poisson errors on the differential counts to approximately 4% at S_850~3mJy. With several independent fields, we investigate field-to-field variance, finding that the number counts on 0.5-1 degree scales are generally within 50% of the S2CLS mean for S_850>3mJy, with scatter consistent with the Poisson and estimated cosmic variance uncertainties, although there is a marginal (2-sigma) density enhancement in the GOODS-North field. The observed number counts are in reasonable agreement with recent phenomenological and semi-analytic models. Finally, the large solid angle of S2CLS allows us to measure the bright-end counts: at S_850>10mJy there are approximately ten sources per square degree, and we detect the distinctive up-turn in the number counts indicative of the detection of local sources of 850um emission and strongly lensed high-redshift galaxies. Here we describe the data collection and reduction procedures and present calibrated maps and a catalogue of sources; these are made publicly available.

We have used the Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) Plateau de Bure Interferometer and the Expanded Very Large Array to obtain a high-resolution map of the CO(6–5) and CO(1–0) emission in the lensed, star-forming galaxy SMM J2135−0102 at z = 2.32. The kinematics of the gas are well described by a model of a rotationally supported disk with an inclination-corrected rotation speed, vrot = 320 ± 25 km s−1, a ratio of rotational-to-dispersion support of v/σ = 3.5 ± 0.2, and a dynamical mass of (6.0 ± 0.5) × 1010 M☉ within a radius of 2.5 kpc. The disk has a Toomre parameter, Q = 0.50 ± 0.15, suggesting that the gas will rapidly fragment into massive clumps on scales of LJ ∼ 400 pc. We identify star-forming regions on these scales and show that they are ∼10 × denser than those in quiescent environments in local galaxies, and significantly offset from the local molecular cloud scaling relations (Larson's relations). The large offset compared to local molecular cloud line-width–size scaling relations implies that supersonic turbulence should remain dominant on scales ∼100× smaller than in the kinematically quiescent interstellar medium (ISM) of the Milky Way, while the molecular gas in SMM J2135 is expected to be ∼50× denser than that in the Milky Way on all scales. This is most likely due to the high external hydrostatic pressure we measure for the ISM, Ptot/kB ∼ (2 ± 1) × 107 K cm−3. In such highly turbulent ISM, the subsonic regions of gravitational collapse (and star formation) will be characterized by much higher critical densities, ncrit > = 108 cm−3, a factor ≳1000× more than the quiescent ISM of the Milky Way.

We present high-resolution (0.3'') ALMA 870um imaging of 52 sub-millimeter galaxies (SMGs) in the Ultra Deep Survey (UDS) field and investigate the size and morphology of the sub-millimeter (sub-mm) emission on 2-10kpc scales. We derive a median intrinsic angular size of FWHM=0.30$\pm$0.04'' for the 23 SMGs in the sample detected at a signal-to-noise ratio (SNR) >10. Using the photometric redshifts of the SMGs we show that this corresponds to a median physical half-light diameter of 2.4$\pm$0.2kpc. A stacking analysis of the SMGs detected at an SNR <10 shows they have sizes consistent with the 870um-bright SMGs in the sample. We compare our results to the sizes of SMGs derived from other multi-wavelength studies, and show that the rest-frame ~250um sizes of SMGs are consistent with studies of resolved 12CO (J=3-2 to 7-6) emission lines, but that sizes derived from 1.4GHz imaging appear to be approximately two times larger on average, which we attribute to cosmic ray diffusion. The rest-frame optical sizes of SMGs are around four times larger than the sub-millimeter sizes, indicating that the star formation in these galaxies is compact relative to the pre-existing stellar distribution. The size of the starburst region in SMGs is consistent with the majority of the star formation occurring in a central region, a few kpc in extent, with a median star formation rate surface density of 90$\pm$30Msol/yr/kpc$^2$, which may suggest that we are witnessing an intense period of bulge growth in these galaxies.

ABSTRACT We analyse the physical properties of a large, homogeneously selected sample of ALMA-located sub-millimetre galaxies (SMGs). This survey, AS2UDS, identified 707 SMGs across the ∼1 deg2 field, including ∼17 per cent, which are undetected at K ≳ 25.7 mag. We interpret their ultraviolet-to-radio data using magphys and determine a median redshift of z = 2.61 ± 0.08 (1σ range of z = 1.8–3.4) with just ∼6 per cent at z &gt; 4. Our survey provides a sample of massive dusty galaxies at z ≳ 1, with median dust and stellar masses of Md = (6.8 ± 0.3) × 108 M⊙ (thus, gas masses of ∼1011 M⊙) and M* = (1.26 ± 0.05) × 1011 M⊙. We find no evolution in dust temperature at a constant far-infrared luminosity across z ∼ 1.5–4. The gas mass function of our sample increases to z ∼ 2–3 and then declines at z &gt; 3. The space density and masses of SMGs suggest that almost all galaxies with M* ≳ 3 × 1011 M⊙ have passed through an SMG-like phase. The redshift distribution is well fit by a model combining evolution of the gas fraction in haloes with the growth of halo mass past a critical threshold of Mh ∼ 6 × 1012 M⊙, thus SMGs may represent the highly efficient collapse of gas-rich massive haloes. We show that SMGs are broadly consistent with simple homologous systems in the far-infrared, consistent with a centrally illuminated starburst. Our study provides strong support for an evolutionary link between the active, gas-rich SMG population at z &gt; 1 and the formation of massive, bulge-dominated galaxies across the history of the Universe.

We present the first photometric redshift distribution for a large sample of 870 μm submillimeter galaxies (SMGs) with robust identifications based on observations with ALMA. In our analysis we consider 96 SMGs in the Extended Chandra Deep Field South, 77 of which have 4–19 band photometry. We model the SEDs for these 77 SMGs, deriving a median photometric redshift of zphot = 2.3 ± 0.1. The remaining 19 SMGs have insufficient photometry to derive photometric redshifts, but a stacking analysis of Herschel observations confirms they are not spurious. Assuming that these SMGs have an absolute H-band magnitude distribution comparable to that of a complete sample of z ∼ 1–2 SMGs, we demonstrate that they lie at slightly higher redshifts, raising the median redshift for SMGs to zphot = 2.5 ± 0.2. Critically we show that the proportion of galaxies undergoing an SMG-like phase at z ⩾ 3 is at most 35% ± 5% of the total population. We derive a median stellar mass of M⋆ = (8 ± 1) × 1010 M☉, although there are systematic uncertainties of up to 5 × for individual sources. Assuming that the star formation activity in SMGs has a timescale of ∼100 Myr, we show that their descendants at z ∼ 0 would have a space density and MH distribution that are in good agreement with those of local ellipticals. In addition, the inferred mass-weighted ages of the local ellipticals broadly agree with the look-back times of the SMG events. Taken together, these results are consistent with a simple model that identifies SMGs as events that form most of the stars seen in the majority of luminous elliptical galaxies at the present day.