宇宙学初始条件下双黑洞并合时间的标度关系

脉冲星计时阵列（PTAs）近期对纳赫兹引力波背景的观测证据，与来自大质量黑洞双星（MBHBs）群体的理论预期大体一致，尽管推断出的振幅似乎略高于标准模型的预测。解释这些观测需要对MBHBs的并合时标及其与宿主星系性质的关联有可靠的理解。在本工作中，我们研究了从IllustrisTNG模拟中的宇宙学星系并合中选出的MBHBs的演化。我们使用N体代码Griffin对这些系统进行高分辨率重新模拟，以精确解析动力学摩擦和恒星致密化阶段，并通过半解析模型追踪其演化至并合。我们发现，宇宙学星系相遇及其产生的MBHBs通常具有高偏心率。我们描述了双星在形成时和进入PTA频带时的偏心率分布，并量化了相应的停留时间。我们确定了控制MBHB演化不同阶段持续时间的关键参数，并推导出将星系和轨道性质与动力学摩擦、致密化和总并合时间联系起来的标度关系。这些关系为宇宙学模拟中的次网格处方提供了框架。将这些标度关系应用于完整的IllustrisTNG并合群体，我们推断出星系并合和黑洞并合时间的概率分布。我们发现，星系并合通常在约0.7 Gyr内完成，而黑洞总并合时间约为1.0 Gyr。这些短时标意味着高效的双星演化，与当前的PTA约束一致。