The Swift mission, scheduled for launch in 2004, is a multiwavelength observatory for gamma-ray burst (GRB) astronomy. It is a first-of-its-kind autonomous rapid-slewing satellite for transient astronomy and pioneers the way for future rapid-reaction and multiwavelength missions. It will be far more powerful than any previous GRB mission, observing more than 100 bursts yr-1 and performing detailed X-ray and UV/optical afterglow observations spanning timescales from 1 minute to several days after the burst. The objectives are to (1) determine the origin of GRBs, (2) classify GRBs and search for new types, (3) study the interaction of the ultrarelativistic outflows of GRBs with their surrounding medium, and (4) use GRBs to study the early universe out to z > 10. The mission is being developed by a NASA-led international collaboration. It will carry three instruments: a new-generation wide-field gamma-ray (15-150 keV) detector that will detect bursts, calculate 1'-4' positions, and trigger autonomous spacecraft slews; a narrow-field X-ray telescope that will give 5'' positions and perform spectroscopy in the 0.2-10 keV band; and a narrow-field UV/optical telescope that will operate in the 170-600 nm band and provide 03 positions and optical finding charts. Redshift determinations will be made for most bursts. In addition to the primary GRB science, the mission will perform a hard X-ray survey to a sensitivity of ~1 mcrab (~2 × 10-11 ergs cm-2 s-1 in the 15-150 keV band), more than an order of magnitude better than HEAO 1 A-4. A flexible data and operations system will allow rapid follow-up observations of all types of high-energy transients, with rapid data downlink and uplink available through the NASA TDRSS system. Swift transient data will be rapidly distributed to the astronomical community, and all interested observers are encouraged to participate in follow-up measurements. A Guest Investigator program for the mission will provide funding for community involvement. Innovations from the Swift program applicable to the future include (1) a large-area gamma-ray detector using the new CdZnTe detectors, (2) an autonomous rapid-slewing spacecraft, (3) a multiwavelength payload combining optical, X-ray, and gamma-ray instruments, (4) an observing program coordinated with other ground-based and space-based observatories, and (5) immediate multiwavelength data flow to the community. The mission is currently funded for 2 yr of operations, and the spacecraft will have a lifetime to orbital decay of ~8 yr.

We suggest that most of the material in the Universe condensed at an early epoch into small ‘dark’ objects. Irrespective of their nature, these objects must subsequently have undergone hierarchical clustering, whose present scale we infer from the large-scale distribution of galaxies. As each stage of the hierarchy forms and collapses, relaxation effects wipe out its substructure, leading to a self-similar distribution of bound masses of the type discussed by Press & Schechter. The entire luminous content of galaxies, however, results from the cooling and fragmentation of residual gas within the transient potential wells provided by the dark matter. Every galaxy thus forms as a concentrated luminous core embedded in an extensive dark halo. The observed sizes of galaxies and their survival through later stages of the hierarchy seem inexplicable without invoking substantial dissipation; this dissipation allows the galaxies to become sufficiently concentrated to survive the disruption of their halos in groups and clusters of galaxies. We propose a specific model in which |$\Omega \simeq 0.2$|⁠, the dark matter makes up 80 per cent of the total mass, and half the residual gas has been converted into luminous galaxies by the present time. This model is consistent with the inferred proportions of dark matter, luminous matter and gas in rich clusters, with the observed luminosity density of the Universe and with the observed radii of galaxies; further, it predicts the characteristic luminosities of bright galaxies and can give a luminosity function of the observed shape.

Powerful extragalactic radio sources comprise two extended regions containing magnetic field and synchrotron-emitting relativistic electrons, each linked by a jet to a central compact radio source located in the nucleus of the associated galaxy. These jets are collimated streams of plasma that emerge from the nucleus in opposite directions, along which flow mass, momentum, energy, and magnetic flux. Methods of using the observations diagnostically to infer the pressures, densities, and fluid velocities within jets are explained. The jets terminate in the extended radio components, where they interact strongly with the surrounding medium through a combination of shock waves and instabilities. Jets may expand freely, be confined by external gas pressure, or be pinched by toroidal magnetic fields. Shear flows are known to be Kelvin-Helmholtz unstable and thus may be responsible for some of the observed oscillation of jets about their mean directions and for creating the turbulence and shock waves needed to accelerate the relativistic electrons. Larger-scale bending may be caused by changes in the jet axis within the nucleus, gravitational interaction of the radio galaxy with a companion galaxy, or rapid motion of the source through dense intergalactic gas. The compact radio sources also exhibit a jet morphology and contain more direct clues as to the origins of jets; in particular, the variations sometimes observed imply bulk flows that are relativistic. It is widely believed that nuclear activity is ultimately ascribable to gas accreting onto a massive black hole. The accretion can proceed in several different fashions, depending upon whether or not the gas has angular momentum and whether or not the radiation emitted is sufficiently intense to influence the dynamics of the flow. Several distinct mechanisms for jet production in the context of black holes have been proposed. (Alternative mechanisms involving dense star clusters and massive spinning stars are also reviewed.) Supersonic jets may be collimated along the spin axis of a gas cloud surrounding the source of the lighter jet gas. Magnetic fields may be crucial in collimating jets, especially if they are wrapped around the jet by orbiting gas and can thereby collimate the outflow through the pinch effect. In fact, the spin energy of the black hole could also be extracted by magnetic torques, in which case the jet would contain electrons and positrons and carry a large electromagnetic Poynting flux. Statistical investigations of active galaxies also furnish valuable information on their nature and evolutionary behavior. The formation of particular kinds of sources appears to be correlated with environmental effects and cosmic epoch. In addition, the brightest compact radio sources on the sky, which probably involve relativistic motion, may be intrinsically faint objects beamed in our direction. There is now compelling evidence for the continuous fueling of extragalactic radio sources through jets emerging from the nucleus of the associated galaxy. The morphological classification of radio sources is interpreted in terms of the powers, speeds, and surroundings of jets. The ratio of the mass accretion rate to the mass of the hole may determine whether an active nucleus will be primarily a thermal object like an optical quasar or a nonthermal object like a radio galaxy. The authors outline a unified model of nuclear activity and assess what future progress may stem from observational developments (especially the proposed very long baseline array), experimental approaches (such as wind tunnel simulations), and theoretical studies (in particular, large-scale numerical hydrodynamical computing).

The dark matter that appears to be gravitationally dominant on all scales larger than galactic cores may consist of axions, stable photinos, or other collisionless particles whose velocity dispersion in the early Universe is so small that fluctuations of galactic size or larger are not damped by free streaming. An attractive feature of this cold dark matter hypothesis is its considerable predictive power: the post-recombination fluctuation spectrum is calculable, and it in turn governs the formation of galaxies and clusters. Good agreement with the data is obtained for a Zeldovich (|δk|2 ∝ k) spectrum of primordial fluctuations.

The quasi-blackbody plus power-law spectra of many accreting black-hole sources suggests that relatively cold matter is surrounded by hard X-ray emitting plasma. Fluorescent iron lines are produced by X-irradiation of the cold gas. The shape and variability of these lines can be used to map the innermost regions around the black hole. In the case of a disc geometry for the cold gas, the effects of doppler-broadening and gravitational and transverse redshifts produce a characteristic line profile which depends upon inclination. We show here that the broad, iron emission line found in Cyg X-1 by Barr, White & Page is well modelled by fluorescent emission from the inner parts of an accretion disc inclined at ∼ 30 degrees. The mass of the central object and properties of the accretion flow can be determined by future higher resolution studies of this and similar sources, including Active Galaxies.

Recent Energy Gamma Ray Experiment Telescope (EGRET) observations of blazars have revealed strong, variable gamma-ray fluxes with no signatures of gamma-ray absorption by pair production. This radiation probably originates from the inner parts of relativistic jets which are aimed nearly toward us. On sub-parsec scales, the jet will be pervaded by radiation from the broad-line region, as well as by photons from the central continuum source (some of which will be scattered by thermal plasma). In a frame moving with the relativistic outflow, the energy of this ambient radiation would be enhanced. This radiation would be Comptonized by both cold and relativistic electrons in the jet, yielding (in the observer's frame) a collimated beam of X-rays and gamma rays. On the assumption that this process dominates self-Comptonization of synchrotron radiation, we develop a self-consistent model for variable gamma-ray emission, involving a single population of relativistic electrons accelerated by a disturbance in the jet. The spectral break between the X-ray and gamma-ray band, observed in 3C 279 and deduced for other blazars, results from inefficient radiative cooling of lower energy electrons. The existence of such a break strongly favors a model involving Comptonization of an external radiation field over a synchrotron self-Compton model. We derive constraints on such model parameters as the location and speed of the source, its dimensions and internal physical parameters, the maximum photon energies produced in the source, and the density and distribution of ambient radiation. Finally, we discuss how observations might discriminate between our model and alternative ones invoking Comptonization of ambient radiation.

We discuss the evolution of cosmological gamma-ray burst remnants, consisting of the cooling and expanding fireball ejecta together with any swept-up external matter, after the gamma-ray event. We show that significant optical emission is predicted which should be measurable for timescales of hours after the event, and in some cases radio emission may be expected days to weeks after the event. The flux at optical, X-ray and other long wavelengths decays as a power of time, and the initial value of the flux or magnitude, as well as the value of the time-decay exponent, should help to distinguish between possible types of dissipative fireball models.

We investigate the extent to which the characteristic masses and sizes of galaxies (and clusters) are determined by processes occurring at the epoch when the pregalactic material has stopped expanding with the background Universe but has not yet fragmented into stars. Unless pregalactic clouds collapse in an exceedingly homogeneous fashion, their kinetic energy of infall will be thermalized via shocks before the contraction has proceeded by more than a factor ~ 2. What happens next depends on the relative value of the cooling and collapse timescales. Masses in the range |$10^{10} - 10^{12} M_{\odot}$| cool so efficiently that they always collapse at the free-fall rate, and probably quickly fragment into stars. Larger masses, however, may experience a quasistatic contraction phase; and go into free fall (and fragment) only after their radii fall below a critical value rbc. For masses ⪢ |$10^{12} M_{\odot}, r_\text{bc}$| has a mass-independent value ~ 75 kpc. We argue that this characteristic mass and radius may indeed be crucial determinants of the properties of galaxies, and discuss various complications that should be included in more refined calculations. Large masses ( ~ 1014M⊙) which recollapse at recent epochs may be unable to cool at all; and there is no reason why galaxies of characteristic radii |$\lesssim r_\text{bc}$| should not still be forming at small redshifts. The typical giant galaxies which dominate the luminosity function must have formed at a relatively recent epoch |$z \lesssim 10.$| Opacity effects in collapsing protogalaxies are briefly discussed, the possibility that trapped Lyman a may inhibit fragmentation being the only important one. The effects of mass-dependent dissipation on clustering and the covariance function are outlined.