This work, together with its companion paper, Secco and Samuroff et al. (2021), presents the Dark Energy Survey Year 3 cosmic shear measurements and cosmological constraints based on an analysis of over 100 million source galaxies. With the data spanning 4143 deg$^2$ on the sky, divided into four redshift bins, we produce the highest significance measurement of cosmic shear to date, with a signal-to-noise of 40. We conduct a blind analysis in the context of the $\Lambda$CDM model and find a 3% constraint of the clustering amplitude, $S_8\equiv \sigma_8 (\Omega_{\rm m}/0.3)^{0.5} = 0.759^{+0.025}_{-0.023}$. A $\Lambda$CDM-Optimized analysis, which safely includes smaller scale information, yields a 2% precision measurement of $S_8= 0.772^{+0.018}_{-0.017}$ that is consistent with the fiducial case. The two low-redshift measurements are statistically consistent with the Planck Cosmic Microwave Background result, however, both recovered $S_8$ values are lower than the high-redshift prediction by $2.3\sigma$ and $2.1\sigma$ ($p$-values of 0.02 and 0.05), respectively. The measurements are shown to be internally consistent across redshift bins, angular scales and correlation functions. The analysis is demonstrated to be robust to calibration systematics, with the $S_8$ posterior consistent when varying the choice of redshift calibration sample, the modeling of redshift uncertainty and methodology. Similarly, we find that the corrections included to account for the blending of galaxies shifts our best-fit $S_8$ by $0.5\sigma$ without incurring a substantial increase in uncertainty. We examine the limiting factors for the precision of the cosmological constraints and find observational systematics to be subdominant to the modeling of astrophysics. Specifically, we identify the uncertainties in modeling baryonic effects and intrinsic alignments as the limiting systematics.

We measure new estimates for the galaxy stellar mass function and star formation rates for samples of galaxies at z ∼ 4, 5, 6 and 7 using data in the CANDELS GOODS South field. The deep near-infrared observations allow us to construct the stellar mass function at z ≥ 6 directly for the first time. We estimate stellar masses for our sample by fitting the observed spectral energy distributions with synthetic stellar populations, including nebular line and continuum emission. The observed UV luminosity functions for the samples are consistent with previous observations; however, we find that the observed MUV-M* relation has a shallow slope more consistent with a constant mass-to-light ratio and a normalization which evolves with redshift. Our stellar mass functions have steep low-mass slopes (α ≈ −1.9), steeper than previously observed at these redshifts and closer to that of the UV luminosity function. Integrating our new mass functions, we find the observed stellar mass density evolves from |$\log _{10} \rho _{*} = 6.64^{+0.58}_{-0.89}$| at z ∼ 7 to 7.36 ± 0.06 M⊙ Mpc− 3 at z ∼ 4. Finally, combining the measured UV continuum slopes (β) with their rest-frame UV luminosities, we calculate dust-corrected star formation rates (SFR) for our sample. We find the specific SFR for a fixed stellar mass increases with redshift whilst the global SFR density falls rapidly over this period. Our new SFR density estimates are higher than previously observed at this redshift.

This work and its companion paper, Amon et al. (2021), present cosmic shear measurements and cosmological constraints from over 100 million source galaxies in the Dark Energy Survey (DES) Year 3 data. We constrain the lensing amplitude parameter $S_8\equiv\sigma_8\sqrt{\Omega_\textrm{m}/0.3}$ at the 3% level in $\Lambda$CDM: $S_8=0.759^{+0.025}_{-0.023}$ (68% CL). Our constraint is at the 2% level when using angular scale cuts that are optimized for the $\Lambda$CDM analysis: $S_8=0.772^{+0.018}_{-0.017}$ (68% CL). With cosmic shear alone, we find no statistically significant constraint on the dark energy equation-of-state parameter at our present statistical power. We carry out our analysis blind, and compare our measurement with constraints from two other contemporary weak-lensing experiments: the Kilo-Degree Survey (KiDS) and Hyper-Suprime Camera Subaru Strategic Program (HSC). We additionally quantify the agreement between our data and external constraints from the Cosmic Microwave Background (CMB). Our DES Y3 result under the assumption of $\Lambda$CDM is found to be in statistical agreement with Planck 2018, although favors a lower $S_8$ than the CMB-inferred value by $2.3\sigma$ (a $p$-value of 0.02). This paper explores the robustness of these cosmic shear results to modeling of intrinsic alignments, the matter power spectrum and baryonic physics. We additionally explore the statistical preference of our data for intrinsic alignment models of different complexity. The fiducial cosmic shear model is tested using synthetic data, and we report no biases greater than 0.3$\sigma$ in the plane of $S_8\times\Omega_\textrm{m}$ caused by uncertainties in the theoretical models.

We describe the creation, content, and validation of the Dark Energy Survey (DES) internal year-one cosmology data set, Y1A1 GOLD, in support of upcoming cosmological analyses. The Y1A1 GOLD data set is assembled from multiple epochs of DES imaging and consists of calibrated photometric zeropoints, object catalogs, and ancillary data products - e.g., maps of survey depth and observing conditions, star-galaxy classification, and photometric redshift estimates - that are necessary for accurate cosmological analyses. The Y1A1 GOLD wide-area object catalog consists of ~137 million objects detected in coadded images covering ~1800 deg$^2$ in the DES grizY filters. The 10σ limiting magnitude for galaxies is g = 23.4, r = 23.2, i = 22.5, z = 21.8, and Y = 20.1. Photometric calibration of Y1A1 GOLD was performed by combining nightly zeropoint solutions with stellar-locus regression, and the absolute calibration accuracy is better than 2% over the survey area. DES Y1A1 GOLD is the largest photometric data set at the achieved depth to date, enabling precise measurements of cosmic acceleration at z $\lesssim$ 1.

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 constrain the mass–richness scaling relation of redMaPPer galaxy clusters identified in the Dark Energy Survey Year 1 data using weak gravitational lensing. We split clusters into 4 × 3 bins of richness λ and redshift |$z$| for λ ≥ 20 and 0.2 ≤ |$z$| ≤ 0.65 and measure the mean masses of these bins using their stacked weak lensing signal. By modelling the scaling relation as 〈M200m|λ, |$z$|〉 = M0(λ/40)F((1 + |$z$|⁠)/1.35)G, we constrain the normalization of the scaling relation at the 5.0 per cent level, finding M0 = [3.081 ± 0.075(stat) ± 0.133(sys)] · 1014 M⊙ at λ = 40 and |$z$| = 0.35. The recovered richness scaling index is F = 1.356 ± 0.051 (stat) ± 0.008 (sys) and the redshift scaling index G = −0.30 ± 0.30 (stat) ± 0.06 (sys). These are the tightest measurements of the normalization and richness scaling index made to date from a weak lensing experiment. We use a semi-analytic covariance matrix to characterize the statistical errors in the recovered weak lensing profiles. Our analysis accounts for the following sources of systematic error: shear and photometric redshift errors, cluster miscentring, cluster member dilution of the source sample, systematic uncertainties in the modelling of the halo–mass correlation function, halo triaxiality, and projection effects. We discuss prospects for reducing our systematic error budget, which dominates the uncertainty on M0. Our result is in excellent agreement with, but has significantly smaller uncertainties than, previous measurements in the literature, and augurs well for the power of the DES cluster survey as a tool for precision cosmology and upcoming galaxy surveys such as LSST, Euclid, and WFIRST.

We present an improved measurement of the Hubble constant (H_0) using the 'inverse distance ladder' method, which adds the information from 207 Type Ia supernovae (SNe Ia) from the Dark Energy Survey (DES) at redshift 0.018 < z < 0.85 to existing distance measurements of 122 low redshift (z < 0.07) SNe Ia (Low-z) and measurements of Baryon Acoustic Oscillations (BAOs). Whereas traditional measurements of H_0 with SNe Ia use a distance ladder of parallax and Cepheid variable stars, the inverse distance ladder relies on absolute distance measurements from the BAOs to calibrate the intrinsic magnitude of the SNe Ia. We find H_0 = 67.8 +/- 1.3 km s-1 Mpc-1 (statistical and systematic uncertainties, 68% confidence). Our measurement makes minimal assumptions about the underlying cosmological model, and our analysis was blinded to reduce confirmation bias. We examine possible systematic uncertainties and all are below the statistical uncertainties. Our H_0 value is consistent with estimates derived from the Cosmic Microwave Background assuming a LCDM universe (Planck Collaboration et al. 2018).