O atacante, de 33 anos, tem contrato até janeiro no Home Park.
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Ele era um agente livre depois de deixar o Al-Riyadh, da Saudi Pro League, no verão.
Gray, que marcou três gols em 13 partidas pela Jamaica, pode fazer sua estreia em casa contra o Blackburn no sábado, sujeito a autorização internacional.
Os Pilgrims mudaram-se para o ex-jogador do Watford, com Muhamed Tijani provavelmente ausente até o Ano Novo, após uma lesão no tendão sofrida em Burnley, na terça-feira.
Reagindo à contratação, Rooney disse: “Assim que soubemos da gravidade da lesão de Muhamed, agimos rapidamente para contratar um atacante para substituí-lo.
“André é um atacante de muita qualidade e jogou e marcou gols ao mais alto nível.
“Ele proporcionará competição nas áreas avançadas à medida que avançamos para um período movimentado da temporada e estou muito feliz por tê-lo aqui.”
Gray, que é casado com a cantora Leigh Anne Pinnock, retorna à Inglaterra pela primeira vez desde que deixou Vicarage Road, há dois anos.
Durante seu período de 10 meses na Arábia Saudita, ele e Leigh Anne foram forçados a um relacionamento à distância que ela descreveu como “inferno”.
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O casal só se via alguns dias por mês durante sua estada no Oriente Médio.
Em maio, ela explicou: “Temos um relacionamento à distância. Ele mora na Arábia Saudita e joga futebol lá.
“Então, nos últimos dois anos, estivemos separados, basicamente, nos vendo talvez dois dias por mês. Tem sido um inferno, para ser honesto.”
E Pinnock pareceu dar a Gray um ultimato para voltar para o Reino Unido assim que seu contrato na Arábia Saudita terminasse.
Questionada se o atacante permaneceria no exterior, ela disse: “Não aguento mais. Eu não posso fazer isso. Acho que temos que esperar para ver.”
A ex-estrela do Little Mix também fez referência às suas lutas com a distância novamente em seu primeiro show solo em junho.
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Coleen Rooney, que ainda mora em Chester enquanto seu marido Wayne treina em Devon, também falou sobre as dificuldades de um casamento à distância.
Gray marcou anteriormente 56 gols em 146 jogos no campeonato pelo Brentford, Burnley, Watford e QPR.
Eles aconteceram em mais de 100 partidas da Premier League para Clarets e Hornets.