Pulsar Tests Gravity Because of their extremely high densities, massive neutron stars can be used to test gravity. Based on spectroscopy of its white dwarf companion, Antoniadis et al. (p. 448 ) identified a millisecond pulsar as a neutron star twice as heavy as the Sun. The observed binary's orbital decay is consistent with that predicted by general relativity, ruling out previously untested strong-field phenomena predicted by alternative theories. The binary system has a peculiar combination of properties and poses a challenge to our understanding of stellar evolution.

Fast radio bursts are millisecond-duration astronomical radio pulses of unknown physical origin that appear to come from extragalactic distances. Previous follow-up observations have failed to find additional bursts at the same dispersion measure (that is, the integrated column density of free electrons between source and telescope) and sky position as the original detections. The apparent non-repeating nature of these bursts has led to the suggestion that they originate in cataclysmic events. Here we report observations of ten additional bursts from the direction of the fast radio burst FRB 121102. These bursts have dispersion measures and sky positions consistent with the original burst. This unambiguously identifies FRB 121102 as repeating and demonstrates that its source survives the energetic events that cause the bursts. Additionally, the bursts from FRB 121102 show a wide range of spectral shapes that appear to be predominantly intrinsic to the source and which vary on timescales of minutes or less. Although there may be multiple physical origins for the population of fast radio bursts, these repeat bursts with high dispersion measure and variable spectra specifically seen from the direction of FRB 121102 support an origin in a young, highly magnetized, extragalactic neutron star.

We have discovered a 716-hertz eclipsing binary radio pulsar in the globular cluster Terzan 5 using the Green Bank Telescope. It is the fastest spinning neutron star found to date, breaking the 24-year record held by the 642-hertz pulsar B1937+21. The difficulty in detecting this pulsar, because of its very low flux density and high eclipse fraction (approximately 40% of the orbit), suggests that even faster spinning neutron stars exist. If the pulsar has a mass less than twice the mass of the Sun, then its radius must be constrained by the spin rate to be <16 kilometers. The short period of this pulsar also constrains models that suggest that gravitational radiation, through an r-mode (Rossby wave) instability, limits the maximum spin frequency of neutron stars.

Abstract We report on Bayesian estimation of the radius, mass, and hot surface regions of the massive millisecond pulsar PSR J0740+6620, conditional on pulse-profile modeling of Neutron Star Interior Composition Explorer X-ray Timing Instrument event data. We condition on informative pulsar mass, distance, and orbital inclination priors derived from the joint North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves and Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment/Pulsar wideband radio timing measurements of Fonseca et al. We use XMM-Newton European Photon Imaging Camera spectroscopic event data to inform our X-ray likelihood function. The prior support of the pulsar radius is truncated at 16 km to ensure coverage of current dense matter models. We assume conservative priors on instrument calibration uncertainty. We constrain the equatorial radius and mass of PSR J0740+6620 to be  12.39 − 0.98 + 1.30 km and  2.072 − 0.066 + 0.067 M ⊙ respectively, each reported as the posterior credible interval bounded by the 16% and 84% quantiles, conditional on surface hot regions that are non-overlapping spherical caps of fully ionized hydrogen atmosphere with uniform effective temperature; a posteriori, the temperature is  log 10 ( T  [ K ] ) = 5.99 − 0.06 + 0.05 for each hot region. All software for the X-ray modeling framework is open-source and all data, model, and sample information is publicly available, including analysis notebooks and model modules in the Python language. Our marginal likelihood function of mass and equatorial radius is proportional to the marginal joint posterior density of those parameters (within the prior support) and can thus be computed from the posterior samples.

PSR J0740$+$6620 has a gravitational mass of $2.08\pm 0.07~M_\odot$, which is the highest reliably determined mass of any neutron star. As a result, a measurement of its radius will provide unique insight into the properties of neutron star core matter at high densities. Here we report a radius measurement based on fits of rotating hot spot patterns to Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) and X-ray Multi-Mirror (XMM-Newton) X-ray observations. We find that the equatorial circumferential radius of PSR J0740$+$6620 is $13.7^{+2.6}_{-1.5}$ km (68%). We apply our measurement, combined with the previous NICER mass and radius measurement of PSR J0030$+$0451, the masses of two other $\sim 2~M_\odot$ pulsars, and the tidal deformability constraints from two gravitational wave events, to three different frameworks for equation of state modeling, and find consistent results at $\sim 1.5-3$ times nuclear saturation density. For a given framework, when all measurements are included the radius of a $1.4~M_\odot$ neutron star is known to $\pm 4$% (68% credibility) and the radius of a $2.08~M_\odot$ neutron star is known to $\pm 5$%. The full radius range that spans the $\pm 1\sigma$ credible intervals of all the radius estimates in the three frameworks is $12.45\pm 0.65$ km for a $1.4~M_\odot$ neutron star and $12.35\pm 0.75$ km for a $2.08~M_\odot$ neutron star.

The International Pulsar Timing Array project combines observations of pulsars from both northern and southern hemisphere observatories with the main aim of detecting ultra-low frequency (∼ 10−9–10−8 Hz) gravitational waves. Here we introduce the project, review the methods used to search for gravitational waves emitted from coalescing supermassive binary black-hole systems in the centres of merging galaxies and discuss the status of the project.

We report multiple lines of evidence for a stochastic signal that is correlated among 67 pulsars from the 15-year pulsar-timing data set collected by the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves. The correlations follow the Hellings-Downs pattern expected for a stochastic gravitational-wave background. The presence of such a gravitational-wave background with a power-law-spectrum is favored over a model with only independent pulsar noises with a Bayes factor in excess of $10^{14}$, and this same model is favored over an uncorrelated common power-law-spectrum model with Bayes factors of 200-1000, depending on spectral modeling choices. We have built a statistical background distribution for these latter Bayes factors using a method that removes inter-pulsar correlations from our data set, finding $p = 10^{-3}$ (approx. $3\sigma$) for the observed Bayes factors in the null no-correlation scenario. A frequentist test statistic built directly as a weighted sum of inter-pulsar correlations yields $p = 5 \times 10^{-5} - 1.9 \times 10^{-4}$ (approx. $3.5 - 4\sigma$). Assuming a fiducial $f^{-2/3}$ characteristic-strain spectrum, as appropriate for an ensemble of binary supermassive black-hole inspirals, the strain amplitude is $2.4^{+0.7}_{-0.6} \times 10^{-15}$ (median + 90% credible interval) at a reference frequency of 1/(1 yr). The inferred gravitational-wave background amplitude and spectrum are consistent with astrophysical expectations for a signal from a population of supermassive black-hole binaries, although more exotic cosmological and astrophysical sources cannot be excluded. The observation of Hellings-Downs correlations points to the gravitational-wave origin of this signal.

We present high-precision timing data over time spans of up to 11 years for 45 millisecond pulsars observed as part of the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) project, aimed at detecting and characterizing low-frequency gravitational waves. The pulsars were observed with the Arecibo Observatory and/or the Green Bank Telescope at frequencies ranging from 327 MHz to 2.3 GHz. Most pulsars were observed with approximately monthly cadence, and six high-timing-precision pulsars were observed weekly. All were observed at widely separated frequencies at each observing epoch in order to fit for time-variable dispersion delays. We describe our methods for data processing, time-of-arrival (TOA) calculation, and the implementation of a new, automated method for removing outlier TOAs. We fit a timing model for each pulsar that includes spin, astrometric, and (for binary pulsars) orbital parameters; time-variable dispersion delays; and parameters that quantify pulse-profile evolution with frequency. The timing solutions provide three new parallax measurements, two new Shapiro delay measurements, and two new measurements of significant orbital-period variations. We fit models that characterize sources of noise for each pulsar. We find that 11 pulsars show significant red noise, with generally smaller spectral indices than typically measured for non-recycled pulsars, possibly suggesting a different origin. A companion paper uses these data to constrain the strength of the gravitational-wave background.

From X-ray Binary to Pulsar Pulsars with millisecond rotational periods are thought to originate from neutron stars in low-mass x-ray binaries that had their spin frequencies increased by long-lasting mass transfer from their companion stars. Using data from a radio pulsar survey, Archibald et al. (p. 1411 , published online 21 May; see the Perspective by Kramer ) found a neutron star in a low-mass X-ray binary that is in the process of turning into a radio millisecond pulsar. The system, which consists of a solar-like star and a 1.69-millisecond radio pulsar, has gone through a recent accretion phase, characteristic of low-mass X-ray binaries, but it shows no accretion disk anymore, confirming the evolutionary connection between millisecond radio pulsars and low-mass X-ray binaries.