利用脉冲星计时阵列探测引力波及研究超大质量黑洞天体物理的前景

大天区巡天表明，大质量星系在一个哈勃时间内至少经历一次主要并合。正在进行的脉冲星计时阵列 (PTA) 实验旨在测量星系并合遗迹中心双超大质量黑洞 (SMBH) 产生的引力波 (GW) 辐射。在本文中，利用一系列星系性质和标度关系的最新观测估计值，我们预测了由双超大质量黑洞种群产生的引力波背景的振幅。我们还预测了单个双超大质量黑洞引力波源的数量。我们以 95% 的置信度预测，在频率为 $(1\,{\rm yr})^{-1}$ 处，引力波背景的特征应变振幅位于 $5.1\times10^{-16}<A_{\rm yr}<2.4\times10^{-15}$ 范围内。该范围内较高的值对应于更普遍采用的星系并合时标选择，将在未来几年内落入现有 PTA 项目的预期灵敏度范围内。相比之下，我们发现需要由至少 100 颗脉冲星组成的 PTA，并结合下一代射电望远镜进行观测，才能探测到来自双超大质量黑洞的连续引力波。我们进一步指出，来自并合超大质量黑洞对的引力波记忆爆发并非 PTA 的可行源。引力波背景和单个引力波源计数主要由红移 $\lesssim 1.5$ 处、质量 $\gtrsim5\times10^{10}M_{\odot}$ 的早型星系之间并合形成的双星系统所主导。星系并合时标以及超大质量黑洞质量 - 星系核球质量关系中的不确定性，主导了我们预测结果的不确定性。