宇宙超大质量双黑洞的动力学演化及其引力波辐射

我们研究了具有真实性质分布的星系中超大质量双黑洞（BBHs）的演化，以及这些宇宙BBH群体的引力波（GW）辐射。我们通过包含星系三轴形状与内部恒星分布的影响，对BBHs与其环境的动力学相互作用进行了全面处理，并生成了大量BBH演化轨迹。通过将这些BBH演化轨迹、星系质量函数、星系并合率以及超大质量黑洞-宿主星系关系整合到我们的模型中，我们获得了幸存BBHs的统计分布、BBH并合率、其GW辐射强度，以及由宇宙BBH群体贡献的随机引力波背景（GWB）。预计邻近星系中心约~1%-3%（或~10%）的超大质量黑洞为质量比>1/3（或>1/100）的双星。估计GWB在频率1/年处的特征应变幅值为~$2.0^{+1.4}_{-0.8}\times 10^{-16}$，且利用不同黑洞-宿主星系关系所得结果的上限可达$5.4\times 10^{-16}$，有待未来实验（如平方公里阵列、FAST、下一代甚大阵列）检验。GWB谱的转折频率约为0.25 nHz。文中还讨论了上述估计的不确定性及探测单个源的前景。将宇宙BBH群体应用于激光干涉空间天线（LISA）波段，给出了LISA探测BBHs速率的下限，约0.9/年。