The Hot and Energetic Universe: A White Paper presenting the science theme motivating the Athena+ mission

Creators: Nandra, Kirpal; Barret, Didier; Barcons, Xavier; Fabian, Andy; den Herder, Jan-Willem; Piro, Luigi; Watson, Mike; Adami, Christophe; Aird, James; Afonso, Jose Manuel; Alexander, Dave; Argiroffi, Costanza; Amati, Lorenzo; Arnaud, Monique; Atteia, Jean-Luc; Audard, Marc; Badenes, Carles; Ballet, Jean; Ballo, Lucia; Bamba, Aya; Bhardwaj, Anil; Stefano Battistelli, Elia; Becker, Werner; de Becker, Michaël; Behar, Ehud; Bianchi, Stefano; Biffi, Veronica; Bîrzan, Laura; Bocchino, Fabrizio; Bogdanov, Slavko; Boirin, Laurence; Boller, Thomas; Borgani, Stefano; Borm, Katharina; Bouche, Nicolas; Bourdin, Herve; Bower, Richard; Braito, Valentina; Branchini, Enzo; Branduardi-Raymont, Graziella; Bregman, Joel; Brenneman, Laura; Brightman, Murray; Brüggen, Marcus; Buchner, Johannes; Bulbul, Esra; Brusa, Marcella; Bursa, Michal; Caccianiga, Alessandro; Cackett, Ed; Campana, Sergio; Cappelluti, Nico; Cappi, Massimo; Carrera, Francisco; Ceballos, Maite; Christensen, Finn; Chu, You-Hua; Churazov, Eugene; Clerc, Nicolas; Corbel, Stéphane; Corral, Amalia; Comastri, Andrea; Costantini, Elisa; Croston, Judith; Dadina, Mauro; d'Ai, Antonino; Decourchelle, Anne; Della Ceca, Roberto; Dennerl, Konrad; Dolag, Klaus; Done, Chris; Dovciak, Michal; Drake, Jeremy; Eckert, Dominique; Edge, Alastair; Ettori, Stefano; Ezoe, Yuichiro; Feigelson, Eric; Fender, Rob; Feruglio, Chiara; Finoguenov, Alexis; Fiore, Fabrizio; Galeazzi, Massimiliano; Gallagher, Sarah; Gandhi, Poshak; Gaspari, Massimo; Gastaldello, Fabio; Georgakakis, Antonis; Georgantopoulos, Ioannis; Gilfanov, Marat; Gitti, Myriam; Gladstone, Randy; Goosmann, René; Gosset, Eric; Grosso, Nicolas; Guedel, Manuel; Guerrero, Martin; Haberl, Frank; Hardcastle, Martin; Heinz, Sebastian; Alonso Herrero, Almudena; Hervé, Anthony; Holmström, Mats; Iwasawa, Kazushi; Jonker, Peter; Kaastra, Jelle; Kara, Erin; Karas, Vladimir; Kastner, Joel; King, Andrew; Kosenko, Daria; Koutroumpa, Dimitra; Kraft, Ralph; Kreykenbohm, Ingo; Lallement, Rosine; Lanzuisi, Giorgio; Lee, J.; Lemoine-Goumard, Marianne; Lobban, Andrew; Lodato, Giuseppe; Lovisari, Lorenzo; Lotti, Simone; Mccharthy, Ian; Mcnamara, Brian; Maggio, Antonio; Maiolino, Roberto; de Marco, Barbara; de Martino, Domitilla; Mateos, Silvia; Matt, Giorgio; Maughan, Ben; Mazzotta, Pasquale; Mendez, Mariano; Merloni, Andrea; Micela, Giuseppina; Miceli, Marco; Mignani, Robert; Miller, Jon; Miniutti, Giovanni; Molendi, Silvano; Montez, Rodolfo; Moretti, Alberto; Motch, Christian; Nazé, Yaël; Nevalainen, Jukka; Nicastro, Fabrizio; Nulsen, Paul; Ohashi, Takaya; O'Brien, Paul; Osborne, Julian; Oskinova, Lida; Pacaud, Florian; Paerels, Frederik; Page, Mat; Papadakis, Iossif; Pareschi, Giovanni; Petre, Robert; Petrucci, Pierre-Olivier; Piconcelli, Enrico; Pillitteri, Ignazio; Pinto, C.; de Plaa, Jelle; Pointecouteau, Etienne; Ponman, Trevor; Ponti, Gabriele; Porquet, Delphine; Pounds, Ken; Pratt, Gabriel; Predehl, Peter; Proga, Daniel; Psaltis, Dimitrios; Rafferty, David; Ramos-Ceja, Miriam; Ranalli, Piero; Rasia, Elena; Rau, Arne; Rauw, Gregor; Rea, Nanda; Read, Andy; Reeves, James; Reiprich, Thomas; Renaud, Matthieu; Reynolds, Chris; Risaliti, Guido; Rodriguez, Jerome; Rodriguez Hidalgo, Paola; Roncarelli, Mauro; Rosario, David; Rossetti, Mariachiara; Rozanska, Agata; Rovilos, Emmanouil; Salvaterra, Ruben; Salvato, Mara; Di Salvo, Tiziana; Sanders, Jeremy; Sanz-Forcada, Jorge; Schawinski, Kevin; Schaye, Joop; Schwope, Axel; Sciortino, Salvatore; Severgnini, Paola; Shankar, Francesco; Sijacki, Debora; Sim, Stuart; Schmid, Christian; Smith, Randall; Steiner, Andrew; Stelzer, Beate; Stewart, Gordon; Strohmayer, Tod; Strüder, Lothar; Sun, Ming; Takei, Yoh; Tatischeff, V.; Tiengo, Andreas; Tombesi, Francesco; Trinchieri, Ginevra; Tsuru, T. G.; Ud-Doula, Asif; Ursino, Eugenio; Valencic, Lynne; Vanzella, Eros; Vaughan, Simon; Vignali, Cristian; Vink, Jacco; Vito, Fabio; Volonteri, Marta; Wang, Daniel; Webb, Natalie; Willingale, Richard; Wilms, Joern; Wise, Michael; Worrall, Diana; Young, Andrew; Zampieri, Luca; In'T Zand, Jean; Zane, Silvia; Zezas, Andreas; Zhang, Yuying; Zhuravleva, Irina

Others:: Centre d'étude spatiale des rayonnements (CESR) ; Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP) ; Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) ; Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Dipartimento di Fisica e Chimica [Palermo] (DiFC) ; Università degli studi di Palermo - University of Palermo; Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers (IRFU) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay; Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) ; Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP) ; Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Columbia Astrophysics Laboratory (CAL) ; Columbia University [New York]; Department of Astrophysical Sciences [Princeton] ; Princeton University; Département d'Astrophysique (ex SAP) (DAP) ; Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers (IRFU) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay; Laboratoire de Cosmologie, Astrophysique Stellaire & Solaire, de Planétologie et de Mécanique des Fluides (CASSIOPEE) ; Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS) ; COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de la Côte d'Azur ; COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Université Côte d'Azur (UCA)-Université Côte d'Azur (UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Institute for Computational Cosmology (ICC) ; Durham University; Dipartimento de Fisica Roma Tre (DF-Roma3) ; Università degli Studi Roma Tre = Roma Tre University (ROMA TRE); Mullard Space Science Laboratory (MSSL) ; University College of London [London] (UCL); Technische Universität Munchen - Université Technique de Munich [Munich, Allemagne] (TUM); National Space Institute [Lyngby] (DTU Space) ; Danmarks Tekniske Universitet = Technical University of Denmark (DTU); Astrophysique Interprétation Modélisation (AIM (UMR_7158 / UMR_E_9005 / UM_112)) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); SRON Netherlands Institute for Space Research (SRON); Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE); Department of Physics [Durham University] ; Durham University; Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL); Tokyo Metropolitan University [Tokyo] (TMU); Department of Astronomy and Astrophysics [PennState] ; Pennsylvania State University (Penn State) ; Penn State System-Penn State System; Institut de RadioAstronomie Millimétrique (IRAM) ; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) ; Max-Planck-Gesellschaft; Department of Physics [Coral Gables] ; University of Miami [Coral Gables]; Laboratoire Univers et Théories (LUTH (UMR_8102)) ; Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de Paris ; Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Observatoire astronomique de Strasbourg (ObAS) ; Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Swedish Institute of Space Physics [Kiruna] (IRF); Astronomical Institute of the Czech Academy of Sciences (ASU / CAS) ; Czech Academy of Sciences [Prague] (CAS); HELIOS - LATMOS ; Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS) ; Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Observatoire de Paris - Site de Meudon (OBSPM) ; Observatoire de Paris ; Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG) ; Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); INAF - Osservatorio Astronomico di Palermo (OAPa) ; Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF); Cavendish Laboratory ; University of Cambridge [UK] (CAM); Università degli Studi di Roma Tor Vergata [Roma]; Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) ; Max-Planck-Gesellschaft; Institut d'Astrophysique et de Géophysique [Liège] ; Université de Liège; Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) ; Harvard University [Cambridge]-Smithsonian Institution; Observatoire de Paris ; Université Paris sciences et lettres (PSL); Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG ) ; Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG) ; Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Centro de Astrobiologia [Madrid] (CAB) ; Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA)-Consejo Superior de Investigaciones Científicas [Madrid] (CSIC); Leiden Observatory [Leiden] ; Universiteit Leiden [Leiden]; School of Physics and Astronomy [Southampton] ; University of Southampton; Eidgenössische Technische Hochschule - Swiss Federal Institute of Technology [Zürich] (ETH Zürich); Department of Computer Science ; Princeton University; Pennsylvania State University (Penn State) ; Penn State System; Astronomical Institute Anton Pannekoek (AI PANNEKOEK) ; University of Amsterdam [Amsterdam] (UvA); Institut d'Astrophysique de Paris (IAP) ; Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL); Max Plank Institute for Extraterrestial Life

Description

This White Paper, submitted to the recent ESA call for science themes to define its future large missions, advocates the need for a transformational leap in our understanding of two key questions in astrophysics: 1) How does ordinary matter assemble into the large scale structures that we see today? 2) How do black holes grow and shape the Universe? Hot gas in clusters, groups and the intergalactic medium dominates the baryonic content of the local Universe. To understand the astrophysical processes responsible for the formation and assembly of these large structures, it is necessary to measure their physical properties and evolution. This requires spatially resolved X-ray spectroscopy with a factor 10 increase in both telescope throughput and spatial resolving power compared to currently planned facilities. Feedback from supermassive black holes is an essential ingredient in this process and in most galaxy evolution models, but it is not well understood. X-ray observations can uniquely reveal the mechanisms launching winds close to black holes and determine the coupling of the energy and matter flows on larger scales. Due to the effects of feedback, a complete understanding of galaxy evolution requires knowledge of the obscured growth of supermassive black holes through cosmic time, out to the redshifts where the first galaxies form. X-ray emission is the most reliable way to reveal accreting black holes, but deep survey speed must improve by a factor ~100 over current facilities to perform a full census into the early Universe. The Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (Athena+) mission provides the necessary performance (e.g. angular resolution, spectral resolution, survey grasp) to address these questions and revolutionize our understanding of the Hot and Energetic Universe. These capabilities will also provide a powerful observatory to be used in all areas of astrophysics.

The Hot and Energetic Universe: A White Paper presenting the science theme motivating the Athena+ mission

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