ASTRID 模拟中大质量黑洞产生的引力波背景

最近的脉冲星计时阵列（PTA）观测探测到了纳赫兹引力波，这些引力波很可能源自大质量黑洞双星（MBHB）。探测到的振幅意外地高于电磁测量的推断值。我们展示了来自 ASTRID 模拟的新的引力波背景（GWB）结果。其巨大的体积和对大质量黑洞（MBH）的实时动态摩擦处理为大质量黑洞双星群体提供了新的见解，从而能更准确地评估其对观测到的引力波背景的贡献。ASTRID 预测，来自大质量黑洞双星的引力波背景在 $\sim 4\,{\rm nHz}$ 处的特征应变 $h_c=2.8\times10^{-15}$，约为观测振幅的 $\sim45\%$；在 $\sim 30\,{\rm nHz}$ 处 $h_c=2.5\times10^{-16}$（$5\%$），且 $h_c\propto f^{-1.6}$。这些预测值仍低于当前的脉冲星计时阵列约束，但与基于观测到的 MBH 质量函数的先前经验模型一致。相比之下，采用后处理 MBH 动力学的 TNG300 模拟在低（高）频处产生的范围在观测水平的 $70-90\%$（$20\% - 30\%$）之间。在低频处，ASTRID 预测引力波背景的主体来源于总质量 $M_{\rm tot}=1-3\times 10^9\,M_\odot$、在 $z\approx 0.3$ 处达到峰值的大质量黑洞双系统，这与 TNG300 一致。值得注意的是，两个模拟都预测次并合（$q<0.2$）对引力波背景的贡献高达 $\sim 40\%$。通过追踪 ASTRID 中本地 MBH 的完整并合树，我们表明它们产生的引力波信号占最大可能信号的 $\sim 10\%-80\%$，该最大信号假设无吸积且近期发生过等质量并合。最后，我们证明了实时 MBH 动力学的重要性，缺乏它会导致并合引起的质量增长过高 3-5 倍，并对引力波背景预测产生类似的提升。