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.

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.

Abstract In the local Universe, the ratio between the mass of a central black hole and the stellar mass of its host galaxy is ∼0.1%. Recently, JWST discovered numerous galaxies at z > 4 that seem to deviate from the local relation, with black holes overmassive by 10–100 times. Similar galaxies were also discovered at cosmic noon. The intrinsic scatter in the relation describes how much the evolutionary histories of the single galaxies deviate from the mean evolutionary pattern of their parent data set. This Research Note examines whether a cosmic evolution of the intrinsic scatter can be detected by assessing its value for data sets in various redshift ranges. Using data from the local Universe ( z < 0.055), low (0.4 ≤ z ≤ 0.9), intermediate (0.9 ≤ z ≤ 4), and high ( z > 4) redshift, we conclude that there is no statistically significant redshift evolution of the intrinsic scatter.

Abstract We conduct spatially resolved spectral energy distribution (SED) fitting of 46 spectroscopically confirmed Ly α emitting galaxies at 3.5 < z < 6.5 using JWST NIRCam imaging data from the Extended Groth Strip field. Using PIXEDFIT for resolved photometry and SED fitting, we derive radial trends of star formation rate (SFR), surface stellar mass density, specific SFR (sSFR), stellar age, dust attenuation ( A V ), and metallicity. Our analysis reveals that galaxies below the star-forming main sequence (SFMS) display lower central sSFR and older stellar ages compared to those on/above the SFMS, aligning with the picture of inside-out quenching scenario. These findings provide hints into the physical properties and the structural evolution of high-redshift Ly α emitters in the early universe.

Abstract JWST has revealed a population of low-luminosity active galactic nuclei at z > 4 in compact, red hosts (the “Little Red Dots,” or LRDs), which are largely undetected in X-rays. We investigate this phenomenon using General Relativistic Radiation Magnetohydrodynamics simulations of super-Eddington accretion onto a supermassive black hole (SMBH) with M • = 10 7 M ⊙ at z ∼ 6, representing the median population; the spectral energy distributions (SEDs) that we obtain are intrinsically X-ray weak. The highest levels of X-ray weakness occur in SMBHs accreting at mildly super-Eddington rates (1.4 < f Edd < 4) with zero spin, viewed at angles >30° from the pole. X-ray bolometric corrections in the observed 2–10 keV band reach ∼10 4 at z = 6, ∼5 times higher than the highest constraint from X-ray stacking. Most SEDs are extraordinarily steep and soft in the X-rays (median photon index Γ = 3.1, mode of Γ = 4.4). SEDs strong in the X-rays have harder spectra with a high-energy bump when viewed near the hot (>10 8 K) and highly relativistic jet, whereas X-ray weak SEDs lack this feature. Viewing an SMBH within 10° of its pole, where beaming enhances the X-ray emission, has a ∼1.5% probability, matching the LRD X-ray detection rate. Next-generation observatories like AXIS will detect X-ray-weak LRDs at z ∼ 6 from any viewing angle. Although many SMBHs in the LRDs are already estimated to accrete at super-Eddington rates, our model explains 50% of their population by requiring that their masses are overestimated by a mere factor of ∼3. In summary, we suggest that LRDs host slowly spinning SMBHs accreting at mildly super-Eddington rates, with large covering factors and broad emission lines enhanced by strong winds, providing a self-consistent explanation for their X-ray weakness and complementing other models.

We present the first spectroscopic confirmation of a dust-obscured dwarf galaxy, CEERS-14821. The analysis was performed by combining JWST NIRCam broadband photometry and NIRSpec/PRISM spectroscopic data. From the detection of multiple rest-frame optical lines, we derive that CEERS-14821 is located at z=4.883±0.003. Moreover, from a secure detection of the and we derive that the galaxy has a dust extinction ranging from V to A_ V depending on the assumed reddening law. This value is extremely large given that we estimated a low stellar mass, that is, rm log_ (M/M_ ⊙ or rm log_ (M/M_ ⊙ based on two different dust extinction laws. Moreover, the combination of different metallicity tracers and the spectro-photometric fit suggests that the galaxy may also be metal-rich, with rm 12+log_ (O/H)>8.3, but a low metallicity value cannot be totally ruled out. The high metallicity value would be above the expectation based on the mass-metallicity relation. Both metallicity estimations are above the expectations based on the fundamental mass-metallicity relation since CEERS-14821 is going through a burst of star formation. The constraints on a possible active galactic nucleus presence are limited and loose, but they point towards a possible non-dominant contribution (f_ AGN <0.5 with respect to the total dust luminosity). Based on the rest-frame optical images, this source has a size compatible with galaxies of similar stellar masses and at similar redshifts. Finally, CEERS-14821 may be part of a larger galaxy overdensity, but there are no other galaxies closely interacting with it (within 30 Mpc).

The galaxy-integrated star formation rate (SFR) surface density measurement ($ SFR $) has been proposed as a valuable diagnostic of the mass accumulation in galaxies given it is more tightly related to the physics of star formation and stellar feedback than other indicators. In this work, we assembled a statistical sample of $230$ galaxies observed with JWST in the GLASS and CEERS spectroscopic surveys to estimate Balmer line-based dust attenuations and SFRs (i.e., from Halpha , Hbeta , and Hgamma ), along with the UV rest-frame effective radii. We studied the evolution of galaxy SFR and $ SFR $ in the first $1.5$ billion years of our Universe, from a redshift of $z to $z We found that $ SFR $ is mildly increasing with redshift with a linear slope of $0.16 0.06$. We explored the dependence of SFR and $ SFR $ on stellar mass, showing that a star-forming main sequence and a $ SFR $ main sequence are present out to $z=10$. This dependence exhibits a similar slope compared to the same relations at lower redshifts, but with a higher normalization. We find that the specific SFR (sSFR) and $ SFR $ are correlated with the ratio and with indirect estimates of the escape fraction of Lyman continuum photons; hence, they are likely to play an important role in the evolution of ionization conditions at higher redshifts and in the escape of ionizing radiation. We also searched for spectral outflow signatures in the Halpha and emission lines in a subset of galaxies observed at high resolution (R$=2700$) by the GLASS survey, finding an outflow incidence of $2/11$ 32<!PCT!> 9<!PCT!> $) at $z<6$, but no evidence at $z>6$ ($0/6$, $<26<!PCT!>$). Finally, we find a positive correlation between A$_V$ and $ SFR $, and a flat trend as a function of sSFR, indicating that there is no evidence of a drop in A$_V$ in extremely star-forming galaxies between $z 4$ and $ 10$. This result might be at odds with a dust-clearing outflow scenario, which may instead take place at redshifts of $z 10$, as suggested by some theoretical models.