NANOGrav的大黑洞在哪里？

多个脉冲星计时阵列(PTA)合作组最近报告了首次探测到纳赫兹频率的引力波(GW)。该信号预计主要来自旋进的超大质量黑洞双星(SMBHBs)，这些初步结果与来自此类星群的预期GW谱大致一致。奇怪的是，所有公布结果中测得的GW背景振幅都比理论预测略大。在这项工作中，我们表明，根据局部标度关系推导的当前SMBH丰度预测的随机引力波背景(SGWB)振幅显著小于PTA测量的振幅。我们证明，这种差异不能通过改变SMBH的并合历史来解释，并且由于多次并合事件涉及质量递减的黑洞，因此对特征应变的提升存在上限。如果我们要求当前的黑洞质量密度估计（通过经典的Soltan论证等于积分类星体光度函数）保持不变，那么当前测量的PTA结果将意味着贡献背景的SMBH的典型总质量至少约为$\sim 3 \times 10^{10} M_\odot$，比先前预测的大约10倍。所需的大质量黑洞的空间密度对应于在恒星和气体动力学SMBH测量可及的体积内约有$10$个$3 \times 10^{10} M_\odot$的SMBH。由于GW信号由SMBH分布的大质量端主导，PTA测量为这类稀有天体提供了独特的窗口，并补充了现有的电磁观测。