A large-scale hydrodynamical cosmological simulation, Horizon-AGN, is used to investigate the alignment between the spin of galaxies and the cosmic filaments above redshift 1.2. The analysis of more than 150 000 galaxies per time step in the redshift range 1.2 < z < 1.8 with morphological diversity shows that the spin of low-mass blue galaxies is preferentially aligned with their neighbouring filaments, while high-mass red galaxies tend to have a perpendicular spin. The reorientation of the spin of massive galaxies is provided by galaxy mergers, which are significant in their mass build-up. We find that the stellar mass transition from alignment to misalignment happens around 3 × 1010舁M⊙. Galaxies form in the vorticity-rich neighbourhood of filaments, and migrate towards the nodes of the cosmic web as they convert their orbital angular momentum into spin. The signature of this process can be traced to the properties of galaxies, as measured relative to the cosmic web. We argue that a strong source of feedback such as active galactic nuclei is mandatory to quench in situ star formation in massive galaxies and promote various morphologies. It allows mergers to play their key role by reducing post-merger gas inflows and, therefore, keeping spins misaligned with cosmic filaments.

We describe a mechanism by which supermassive black holes can form directly in the nuclei of protogalaxies, without the need for seed black holes left over from early star formation. Self-gravitating gas in dark matter halos can lose angular momentum rapidly via runaway, global dynamical instabilities, the so-called "bars within bars" mechanism. This leads to the rapid buildup of a dense, self-gravitating core supported by gas pressure - surrounded by a radiation pressure-dominated envelope - which gradually contracts and is compressed further by subsequent infall. These conditions lead to such high temperatures in the central region that the gas cools catastrophically by thermal neutrino emission, leading to the formation and rapid growth of a central black hole. We estimate the initial mass and growth rate of the black hole for typical conditions in metal-free halos with T_vir ~ 10^4 K, which are the most likely to be susceptible to runaway infall. The initial black hole should have a mass of

The Chandra COSMOS Survey (C-COSMOS) is a large, 1.8 Ms, Chandra} program that has imaged the central 0.5 sq.deg of the COSMOS field (centered at 10h, +02deg) with an effective exposure of ~160ksec, and an outer 0.4sq.deg. area with an effective exposure of ~80ksec. The limiting source detection depths are 1.9e-16 erg cm(-2) s(-1) in the Soft (0.5-2 keV) band, 7.3e(-16) erg cm^-2 s^-1 in the Hard (2-10 keV) band, and 5.7e(-16) erg cm(-2) s(-1) in the Full (0.5-10 keV) band. Here we describe the strategy, design and execution of the C-COSMOS survey, and present the catalog of 1761 point sources detected at a probability of being spurious of <2e(-5) (1655 in the Full, 1340 in the Soft, and 1017 in the Hard bands). By using a grid of 36 heavily (~50%) overlapping pointing positions with the ACIS-I imager, a remarkably uniform (to 12%) exposure across the inner 0.5 sq.deg field was obtained, leading to a sharply defined lower flux limit. The widely different PSFs obtained in each exposure at each point in the field required a novel source detection method, because of the overlapping tiling strategy, which is described in a companion paper. (Puccetti et al. Paper II). This method produced reliable sources down to a 7-12 counts, as verified by the resulting logN-logS curve, with sub-arcsecond positions, enabling optical and infrared identifications of virtually all sources, as reported in a second companion paper (Civano et al. Paper III). The full catalog is described here in detail, and is available on-line.

The interplay between cosmic gas accretion on to galaxies and galaxy mergers drives the observed morphological diversity of galaxies. By comparing the state-of-the-art hydrodynamical cosmological simulations Horizon-AGN and Horizon-noAGN, we unambiguously identify the critical role of active galactic nuclei (AGN) in setting up the correct galaxy morphology for the massive end of the population. With AGN feedback, typical kinematic and morpho-metric properties of galaxy populations as well as the galaxy-halo mass relation are in much better agreement with observations. Only AGN feedback allows massive galaxies at the centre of groups and clusters to become ellipticals, while without AGN feedback those galaxies reform discs. It is the merger-enhanced AGN activity that is able to freeze the morphological type of the post-merger remnant by durably quenching its quiescent star formation. Hence morphology is shown to be driven not only by mass but also by the nature of cosmic accretion: at constant galaxy mass, ellipticals are galaxies that are mainly assembled through mergers, while discs are preferentially built from the in situ star formation fed by smooth cosmic gas infall.

Using recent results from numerical relativity simulations of black hole mergers, we revisit previous studies of cosmological black hole spin evolution. We show that mergers are very unlikely to yield large spins, unless alignment of the spins of the merging holes with the orbital angular momentum is very efficient. We analyze the spin evolution in three specific scenarios: (1) spin evolves only through mergers, (2) spin evolves through mergers and prolonged accretion episodes, and (3) spin evolves through mergers and short-lived (chaotic) accretion episodes. We study how different diagnostics can distinguish between these evolutionary scenarios, assessing the discriminating power of gravitational-wave measurements and X-ray spectroscopy. Gravitational radiation can produce three different types of spin measurements, yielding, respectively, the spins of the two black holes in a binary inspiral prior to merger, the spin of the merger remnant (as encoded in the ring-down waves), and the spin of "single" black holes during the extreme mass-ratio inspiral (EMRI) of compact objects. The latter spin population is also accessible to iron-line measurements. We compute and compare the spin distributions relevant for these different observations. If iron-line measurements and gravitational-wave observations of EMRIs only yield dimensionless spins j = J/M2 > 0.9, then prolonged accretion should be responsible for spin-up, and chaotic accretion scenarios would be very unlikely. If only a fraction of the whole population of low-redshift black holes spins rapidly, spin-alignment during binary mergers (rather than prolonged accretion) could be responsible for spin-ups.

Evidence shows that massive black holes reside in most local galaxies. Studies have also established a number of relations between the MBH mass and properties of the host galaxy such as bulge mass and velocity dispersion. These results suggest that central MBHs, while much less massive than the host (~0.1%), are linked to the evolution of galactic structure. In hierarchical cosmologies, a single big galaxy today can be traced back to the stage when it was split up in hundreds of smaller components. Did MBH seeds form with the same efficiency in small proto-galaxies, or did their formation had to await the buildup of substantial galaxies with deeper potential wells? I briefly review here some of the physical processes that are conducive to the evolution of the massive black hole population. I will discuss black hole formation processes for ‘seed’ black holes that are likely to place at early cosmic epochs, and possible observational tests of these scenarios.

We review the expected science performance of the New Gravitational-Wave Observatory (NGO, a.k.a. eLISA), a mission under study by the European Space Agency for launch in the early 2020s. eLISA will survey the low-frequency gravitational-wave sky (from 0.1 mHz to 1 Hz), detecting and characterizing a broad variety of systems and events throughout the Universe, including the coalescences of massive black holes brought together by galaxy mergers; the inspirals of stellar-mass black holes and compact stars into central galactic black holes; several millions of ultracompact binaries, both detached and mass transferring, in the Galaxy; and possibly unforeseen sources such as the relic gravitational-wave radiation from the early Universe. eLISA's high signal-to-noise measurements will provide new insight into the structure and history of the Universe, and they will test general relativity in its strong-field dynamical regime.

The grand challenges of contemporary fundamental physics---dark matter, dark energy, vacuum energy, inflation and early universe cosmology, singularities and the hierarchy problem---all involve gravity as a key component. And of all gravitational phenomena, black holes stand out in their elegant simplicity, while harbouring some of the most remarkable predictions of General Relativity: event horizons, singularities and ergoregions. The hitherto invisible landscape of the gravitational Universe is being unveiled before our eyes: the historical direct detection of gravitational waves by the LIGO-Virgo collaboration marks the dawn of a new era of scientific exploration. Gravitational-wave astronomy will allow us to test models of black hole formation, growth and evolution, as well as models of gravitational-wave generation and propagation. It will provide evidence for event horizons and ergoregions, test the theory of General Relativity itself, and may reveal the existence of new fundamental fields. The synthesis of these results has the potential to radically reshape our understanding of the cosmos and of the laws of Nature. The purpose of this work is to present a concise, yet comprehensive overview of the state of the art in the relevant fields of research, summarize important open problems, and lay out a roadmap for future progress.

The past 10 years have witnessed a change of perspective in the way astrophysicists think about massive black holes (MBHs), which are now considered to have a major role in the evolution of galaxies. This appreciation was driven by the realization that black holes of millions of solar masses and above reside in the center of most galaxies, including the Milky Way. MBHs also powered active galactic nuclei known to exist just a few hundred million years after the Big Bang. Here, I summarize the current ideas on the evolution of MBHs through cosmic history, from their formation about 13 billion years ago to their growth within their host galaxies.

Scaling relations between central black hole (BH) mass and host galaxy properties are of fundamental importance to studies of BH and galaxy evolution throughout cosmic time. Here we investigate the relationship between BH mass and host galaxy total stellar mass using a sample of 262 broad-line active galactic nuclei (AGN) in the nearby Universe (z < 0.055), as well as 79 galaxies with dynamical BH masses. The vast majority of our AGN sample is constructed using Sloan Digital Sky Survey spectroscopy and searching for Seyfert-like narrow-line ratios and broad H-alpha emission. BH masses are estimated using standard virial techniques. We also include a small number of dwarf galaxies with total stellar masses M_stellar < 10^9.5 Msun and a sub-sample of the reverberation-mapped AGNs. Total stellar masses of all 341 galaxies are calculated in the most consistent manner feasible using color-dependent mass-to-light ratios. We find a clear correlation between BH mass and total stellar mass for the AGN host galaxies, with M_BH proportional to M_stellar, similar to that of early-type galaxies with dynamically-detected BHs. However, the relation defined by the AGNs has a normalization that is lower by more than an order of magnitude, with a BH-to-total stellar mass fraction of M_BH/M_stellar ~ 0.025% across the stellar mass range 10^8 < M_stellar/Msun < 10^12. This result has significant implications for studies at high redshift and cosmological simulations in which stellar bulges cannot be resolved.