Abstract The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) will be a transformative experiment for gravitational wave astronomy, and, as such, it will offer unique opportunities to address many key astrophysical questions in a completely novel way. The synergy with ground-based and space-born instruments in the electromagnetic domain, by enabling multi-messenger observations, will add further to the discovery potential of LISA. The next decade is crucial to prepare the astrophysical community for LISA’s first observations. This review outlines the extensive landscape of astrophysical theory, numerical simulations, and astronomical observations that are instrumental for modeling and interpreting the upcoming LISA datastream. To this aim, the current knowledge in three main source classes for LISA is reviewed; ultra-compact stellar-mass binaries, massive black hole binaries, and extreme or interme-diate mass ratio inspirals. The relevant astrophysical processes and the established modeling techniques are summarized. Likewise, open issues and gaps in our understanding of these sources are highlighted, along with an indication of how LISA could help making progress in the different areas. New research avenues that LISA itself, or its joint exploitation with upcoming studies in the electromagnetic domain, will enable, are also illustrated. Improvements in modeling and analysis approaches, such as the combination of numerical simulations and modern data science techniques, are discussed. This review is intended to be a starting point for using LISA as a new discovery tool for understanding our Universe.

Massive black holes (BHs) inhabit local galaxies, including the Milky Way and some dwarf galaxies. BH formation, occurring at early cosmic times, must account for the properties of BHs in today's galaxies, notably why some galaxies host a BH, and others do not. We investigate the formation, distribution and growth of BH `seeds' by using the adaptive mesh refinement code Ramses. We develop an implementation of BH formation in dense, low-metallicity environments, as advocated by models invoking the collapse of the first generation of stars, or of dense nuclear star clusters. The seed masses are computed one-by-one on-the-fly, based on the star formation rate and the stellar initial mass function. This self-consistent method to seed BHs allows us to study the distribution of BHs in a cosmological context and their evolution over cosmic time. We find that all high-mass galaxies tend to a host a BH, whereas low-mass counterparts have a lower probability of hosting a BH. After the end of the epoch of BH formation, this probability is modulated by the growth of the galaxy. The simulated BHs connect to low-redshift observational samples, and span a similar range in accretion properties as Lyman-Break Analogs. The growth of BHs in low-mass galaxies is stunted by strong supernova feedback. The properties of BHs in dwarf galaxies thus remain a testbed for BH formation. Simulations with strong supernova feedback, which is able to quench BH accretion in shallow potential wells, produce galaxies and BHs in better agreement with observational constraints.

We present an analysis showcasing how the Advanced X-ray Imaging Satellite (AXIS), a proposed NASA Probe-class mission, will significantly increase our understanding of supermassive black holes undergoing mergers—from kpc to sub-pc scales. In particular, the AXIS point spread function, field of view, and effective area are expected to result in (1) the detection of hundreds to thousands of new dual AGNs across the redshift range 0<z<5 and (2) blind searches for binary AGNs that are exhibiting merger signatures in their light curves and spectra. AXIS will detect some of the highest-redshift dual AGNs to date, over a large range of physical separations. The large sample of AGN pairs detected by AXIS (over a magnitude more than currently known) will result in the first X-ray study that quantifies the frequency of dual AGNs as a function of redshift up to z=4.

The nature and origin of supermassive black holes (SMBHs) remain an open matter of debate within the scientific community. While various theoretical scenarios have been proposed, each with specific observational signatures, the lack of sufficiently sensitive X-ray observations hinders the progress of observational tests. In this white paper, we present how AXIS will contribute to solving this issue. With an angular resolution of 1.5′′ on-axis and minimal off-axis degradation, we designed a deep survey capable of reaching flux limits in the [0.5–2] keV range of approximately 2 × 10−18 erg s−1 cm−2 over an area of 0.13 deg2 in approximately 7 million seconds (7 Ms). Furthermore, we planned an intermediate depth survey covering approximately 2 deg2 and reaching flux limits of about 2 × 10−17 erg s−1 cm−2 in order to detect a significant number of SMBHs with X-ray luminosities (LX) of approximately 1042 erg s−1 up to z ∼ 10. These observations will enable AXIS to detect SMBHs with masses smaller than 105 M⊙, assuming Eddington-limited accretion and a typical bolometric correction for Type II AGN. AXIS will provide valuable information on the seeding and population synthesis models of SMBHs, allowing for more accurate constraints on their initial mass function (IMF) and accretion history from z∼0–10. To accomplish this, AXIS will leverage the unique synergy of survey telescopes such as the JWST, Roman, Euclid, Vera Rubin Telescope, and the new generation of 30 m class telescopes. These instruments will provide optical identification and redshift measurements, while AXIS will discover the smoking gun of nuclear activity, particularly in the case of highly obscured AGN or peculiar UV spectra as predicted and recently observed by the JWST in the early Universe.