动力学星系环境中的大质量黑洞双星并合

引力波（GW）现已从恒星级黑洞双星中被探测到，而来自大质量黑洞（MBH）双星的引力波首次观测预计在未来十年内实现。脉冲星计时阵列（PTA）能够测量来自MBHB的引力波长达数年的周期，已排除了许多关于随机引力波背景（GWB）振幅的标准预测。我们利用流体动力学宇宙学模拟（'Illustris'）中MBH与星系的共同演化种群来计算预测的GWB。迄今为止最先进的预测包含了来自单个环境过程的双星硬化机制。我们给出了首个包含全部预期涉及的环境机制的计算：动力学摩擦、恒星“损失锥”散射以及来自环双星盘（circumbinary disk）的粘滞阻力。我们发现MBH双星寿命通常为数十亿年，且仅有一小部分在红移零处并合。对于多种参数，我们发现所有GWB振幅均低于最严格的PTA上限 $A_{\textrm{yr}^{-1}} \approx 10^{-15}$。我们相当保守的基准模型预测振幅为 $A_{\textrm{yr}^{-1}} \approx 0.4\times 10^{-15}$——低于当前极限不到三倍。在更低频率下，我们发现 $A_{0.1\,\textrm{yr}^{-1}} \approx 1.5\times 10^{-15}$，谱指数在 $-0.4$ 到 $-0.6$ 之间——明显比纯引力波驱动演化的典型值 $-2/3$ 更平坦。驱动GWB信号的典型MBHB来自红移约 $0.3$ 处，总质量为几倍 $10^9\,M_\odot$，且位于恒星质量非常大的宿主星系中。即使没有GWB探测，我们的结果也可与双活动星系核（dual AGN）的观测相联系，以约束双星演化。