X-ray reflection models are used to constrain the properties of the accretion disk, such as the degree of ionization of the gas and the elemental abundances. In combination with general relativistic ray tracing codes, additional parameters like the spin of the black hole and the inclination to the system can be determined. However, current reflection models used for such studies only provide angle-averaged solutions for the flux reflected at the surface of the disk. Moreover, the emission angle of the photons changes over the disk due to relativistic light bending. To overcome this simplification, we have constructed an angle-dependent reflection model with the xillver code and self-consistently connected it with the relativistic blurring code relline. The new model, relxill, calculates the proper emission angle of the radiation at each point on the accretion disk and then takes the corresponding reflection spectrum into account. We show that the reflected spectra from illuminated disks follow a limb-brightening law highly dependent on the ionization of disk and yet different from the commonly assumed form I∝ln (1 + 1/μ). A detailed comparison with the angle-averaged model is carried out in order to determine the bias in the parameters obtained by fitting a typical relativistic reflection spectrum. These simulations reveal that although the spin and inclination are mildly affected, the Fe abundance can be overestimated by up to a factor of two when derived from angle-averaged models. The fit of the new model to the Suzaku observation of the Seyfert galaxy Ark 120 clearly shows a significant improvement in the constraint of the physical parameters, in particular by enhancing the accuracy in the inclination angle and the spin determinations.

The focusing optics of NuSTAR have enabled high signal-to-noise ratio spectra to be obtained from many X-ray bright active galactic nuclei (AGN) and galactic black hole binaries (BHB). Spectral modelling then allows robust characterization of the spectral index and upper energy cutoff of the coronal power-law continuum, after accounting for reflection and absorption effects. Spectral-timing studies, such as reverberation and broad iron line fitting, of these sources yield coronal sizes, often showing them to be small and in the range of 3 to 10 gravitational radii in size. Our results indicate that coronae are hot and radiatively compact, lying close to the boundary of the region in the compactness–temperature (Θ − ℓ) diagram which is forbidden due to runaway pair production. The coincidence suggests that pair production and annihilation are essential ingredients in the coronae of AGN and BHB and that they control the shape of the observed spectra.

To answer NASA’s call for a sensitive X-ray observatory in the 2030s, we present the High Energy X-ray Probe (HEX-P) mission concept. HEX-P is designed to provide the required capabilities to explore current scientific questions and make new discoveries with a broadband X-ray observatory that simultaneously measures sources from 0.2 to 80 keV. HEX-P’s main scientific goals include: 1) understand the growth of supermassive black holes and how they drive galaxy evolution; 2) explore the lower mass populations of white dwarfs, neutron stars, and stellar-mass black holes in the nearby universe; 3) explain the physics of the mysterious corona, the luminous plasma close to the central engine of accreting compact objects that dominates cosmic X-ray emission; and 4) find the sources of the highest energy particles in the Galaxy. These goals motivate a sensitive, broadband X-ray observatory with imaging, spectroscopic, and timing capabilities, ensuring a versatile platform to serve a broad General Observer (GO) and Guest Investigator (GI) community. In this paper, we present an overview of these mission goals, which have been extensively discussed in a collection of more than a dozen papers that are part of this Research Topic volume. The proposed investigations will address key questions in all three science themes highlighted by Astro2020, including their associated priority areas. HEX-P will extend the capabilities of the most sensitive low- and high-energy X-ray satellites currently in orbit and will complement existing and planned high-energy, time-domain, and multi-messenger facilities in the next decade.