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.

Despite its importance to our understanding of physics at supranuclear densities, the equation of state (EoS) of matter deep within neutron stars remains poorly understood. Millisecond pulsars (MSPs) are among the most useful astrophysical objects in the Universe for testing fundamental physics, and place some of the most stringent constraints on this high-density EoS. Pulsar timing—the process of accounting for every rotation of a pulsar over long time periods—can precisely measure a wide variety of physical phenomena, including those that allow the measurement of the masses of the components of a pulsar binary system1. One of these, called relativistic Shapiro delay2, can yield precise masses for both an MSP and its companion; however, it is only easily observed in a small subset of high-precision, highly inclined (nearly edge-on) binary pulsar systems. By combining data from the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) 12.5-yr data set with recent orbital-phase-specific observations using the Green Bank Telescope, we have measured the mass of the MSP J0740+6620 to be $${\mathbf{2}}{\mathbf{.14}}_{ - {\mathbf{0}}{\mathbf{.09}}}^{ + {\mathbf{0}}{\mathbf{.10}}}$$ M⊙ (68.3% credibility interval; the 95.4% credibility interval is $${\mathbf{2}}{\mathbf{.14}}_{ - {\mathbf{0}}{\mathbf{.18}}}^{ + {\mathbf{0}}{\mathbf{.20}}}$$ M⊙). It is highly likely to be the most massive neutron star yet observed, and serves as a strong constraint on the neutron star interior EoS. Cromartie et al. have probably found the most massive neutron star discovered so far by combining NANOGrav 12.5-yr data with radio data from the Green Bank Telescope. Millisecond pulsar J0740+6620 has a mass of 2.14 M⊙, ~0.1 M⊙ more massive than the previous record holder, and very close to the upper limit on neutron star masses from Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory measurements.

We present the results of the search for an isotropic stochastic gravitational wave background (GWB) at nanohertz frequencies using the second data release of the European Pulsar Timing Array (EPTA) for 25 millisecond pulsars and a combination with the first data release of the Indian Pulsar Timing Array (InPTA). A robust GWB detection is conditioned upon resolving the Hellings-Downs angular pattern in the pairwise cross-correlation of the pulsar timing residuals. Additionally, the GWB is expected to yield the same (common) spectrum of temporal correlations across pulsars, which is used as a null hypothesis in the GWB search. Such a common-spectrum process has already been observed in pulsar timing data. We analysed (i) the full 24.7-year EPTA data set, (ii) its 10.3-year subset based on modern observing systems, (iii) the combination of the full data set with the first data release of the InPTA for ten commonly timed millisecond pulsars, and (iv) the combination of the 10.3-year subset with the InPTA data. These combinations allowed us to probe the contributions of instrumental noise and interstellar propagation effects. With the full data set, we find marginal evidence for a GWB, with a Bayes factor of four and a false alarm probability of 4%. With the 10.3-year subset, we report evidence for a GWB, with a Bayes factor of 60 and a false alarm probability of about 0.1% (≳3 σ significance). The addition of the InPTA data yields results that are broadly consistent with the EPTA-only data sets, with the benefit of better noise modelling. Analyses were performed with different data processing pipelines to test the consistency of the results from independent software packages. The latest EPTA data from new generation observing systems show non-negligible evidence for the GWB. At the same time, the inferred spectrum is rather uncertain and in mild tension with the common signal measured in the full data set. However, if the spectral index is fixed at 13/3, the two data sets give a similar amplitude of (2.5 ± 0.7) × 10 −15 at a reference frequency of 1 yr −1 . Further investigation of these issues is required for reliable astrophysical interpretations of this signal. By continuing our detection efforts as part of the International Pulsar Timing Array (IPTA), we expect to be able to improve the measurement of spatial correlations and better characterise this signal in the coming years.

Abstract The 15 yr pulsar timing data set collected by the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) shows positive evidence for the presence of a low-frequency gravitational-wave (GW) background. In this paper, we investigate potential cosmological interpretations of this signal, specifically cosmic inflation, scalar-induced GWs, first-order phase transitions, cosmic strings, and domain walls. We find that, with the exception of stable cosmic strings of field theory origin, all these models can reproduce the observed signal. When compared to the standard interpretation in terms of inspiraling supermassive black hole binaries (SMBHBs), many cosmological models seem to provide a better fit resulting in Bayes factors in the range from 10 to 100. However, these results strongly depend on modeling assumptions about the cosmic SMBHB population and, at this stage, should not be regarded as evidence for new physics. Furthermore, we identify excluded parameter regions where the predicted GW signal from cosmological sources significantly exceeds the NANOGrav signal. These parameter constraints are independent of the origin of the NANOGrav signal and illustrate how pulsar timing data provide a new way to constrain the parameter space of these models. Finally, we search for deterministic signals produced by models of ultralight dark matter (ULDM) and dark matter substructures in the Milky Way. We find no evidence for either of these signals and thus report updated constraints on these models. In the case of ULDM, these constraints outperform torsion balance and atomic clock constraints for ULDM coupled to electrons, muons, or gluons.

We searched for an isotropic stochastic gravitational wave background in the second data release of the International Pulsar Timing Array, a global collaboration synthesizing decadal-length pulsar-timing campaigns in North America, Europe, and Australia. In our reference search for a power law strain spectrum of the form $h_c = A(f/1\,\mathrm{yr}^{-1})^{\alpha}$, we found strong evidence for a spectrally-similar low-frequency stochastic process of amplitude $A = 3.8^{+6.3}_{-2.5}\times10^{-15}$ and spectral index $\alpha = -0.5 \pm 0.5$, where the uncertainties represent 95\% credible regions, using information from the auto- and cross-correlation terms between the pulsars in the array. For a spectral index of $\alpha = -2/3$, as expected from a population of inspiralling supermassive black hole binaries, the recovered amplitude is $A = 2.8^{+1.2}_{-0.8}\times10^{-15}$. Nonetheless, no significant evidence of the Hellings-Downs correlations that would indicate a gravitational-wave origin was found. We also analyzed the constituent data from the individual pulsar timing arrays in a consistent way, and clearly demonstrate that the combined international data set is more sensitive. Furthermore, we demonstrate that this combined data set produces comparable constraints to recent single-array data sets which have more data than the constituent parts of the combination. Future international data releases will deliver increased sensitivity to gravitational wave radiation, and significantly increase the detection probability.

Abstract We search for an isotropic stochastic gravitational-wave background (GWB) in the 12.5 yr pulsar-timing data set collected by the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves. Our analysis finds strong evidence of a stochastic process, modeled as a power law, with common amplitude and spectral slope across pulsars. Under our fiducial model, the Bayesian posterior of the amplitude for an f −2/3 power-law spectrum, expressed as the characteristic GW strain, has median 1.92 × 10 −15 and 5%–95% quantiles of 1.37–2.67 × 10 −15 at a reference frequency of f yr = 1   yr − 1  ; the Bayes factor in favor of the common-spectrum process versus independent red-noise processes in each pulsar exceeds 10,000. However, we find no statistically significant evidence that this process has quadrupolar spatial correlations, which we would consider necessary to claim a GWB detection consistent with general relativity. We find that the process has neither monopolar nor dipolar correlations, which may arise from, for example, reference clock or solar system ephemeris systematics, respectively. The amplitude posterior has significant support above previously reported upper limits; we explain this in terms of the Bayesian priors assumed for intrinsic pulsar red noise. We examine potential implications for the supermassive black hole binary population under the hypothesis that the signal is indeed astrophysical in nature.

The NANOGrav 15-year data set shows evidence for the presence of a low-frequency gravitational-wave background (GWB). While many physical processes can source such low-frequency gravitational waves, here we analyze the signal as coming from a population of supermassive black hole (SMBH) binaries distributed throughout the Universe. We show that astrophysically motivated models of SMBH binary populations are able to reproduce both the amplitude and shape of the observed low-frequency gravitational-wave spectrum. While multiple model variations are able to reproduce the GWB spectrum at our current measurement precision, our results highlight the importance of accurately modeling binary evolution for producing realistic GWB spectra. Additionally, while reasonable parameters are able to reproduce the 15-year observations, the implied GWB amplitude necessitates either a large number of parameters to be at the edges of expected values, or a small number of parameters to be notably different from standard expectations. While we are not yet able to definitively establish the origin of the inferred GWB signal, the consistency of the signal with astrophysical expectations offers a tantalizing prospect for confirming that SMBH binaries are able to form, reach sub-parsec separations, and eventually coalesce. As the significance grows over time, higher-order features of the GWB spectrum will definitively determine the nature of the GWB and allow for novel constraints on SMBH populations.

We present the results of a search for continuous gravitational wave signals (CGWs) in the second data release (DR2) of the European Pulsar Timing Array (EPTA) collaboration. The most significant candidate event from this search has a gravitational wave frequency of 4-5 nHz. Such a signal could be generated by a supermassive black hole binary (SMBHB) in the local Universe. We present the results of a follow-up analysis of this candidate using both Bayesian and frequentist methods. The Bayesian analysis gives a Bayes factor of 4 in favour of the presence of the CGW over a common uncorrelated noise process. In contrast, the frequentist analysis estimates the p-value of the candidate to be $< 1<!PCT!>$, also assuming the presence of common uncorrelated red noise. However, comparing a model that includes both a CGW and a gravitational wave background (GWB) to a GWB only, the Bayes factor in favour of the CGW model is only $0.7$. Therefore, we cannot conclusively determine the origin of the observed feature, nor can we rule it out as a CGW source. We present results of simulations that demonstrate that data containing a weak gravitational wave background can be misinterpreted as data including a CGW and vice versa, providing two plausible explanations for the EPTA DR2 data. Further investigations combining data from all PTA collaborations will be needed to reveal the true origin of this feature.

Abstract Pulsar timing arrays (PTAs) are designed to detect low-frequency gravitational waves (GWs). GWs induce achromatic signals in PTA data, meaning that the timing delays do not depend on radio frequency. However, pulse arrival times are also affected by radio-frequency-dependent “chromatic” noise from sources such as dispersion measure (DM) and scattering delay variations. Furthermore, the characterization of GW signals may be influenced by the choice of chromatic noise model for each pulsar. To better understand this effect, we assess if and how different chromatic noise models affect the achromatic noise properties in each pulsar. The models we compare include existing DM models used by the North American Nanohertz Observatory for Gravitational waves (NANOGrav) and noise models used for the European PTA Data Release 2 (EPTA DR2). We perform this comparison using a subsample of six pulsars from the NANOGrav 15 yr data set, selecting the same six pulsars as from the EPTA DR2 six-pulsar data set. We find that the choice of chromatic noise model noticeably affects the achromatic noise properties of several pulsars. This is most dramatic for PSR J1713+0747, where the amplitude of its achromatic red noise lowers from log 10 A RN = − 14.1 − 0.1 + 0.1 to − 14.7 − 0.5 + 0.3 , and the spectral index broadens from γ RN = 2.6 − 0.4 + 0.5 to γ RN = 3.5 − 0.9 + 1.2 . We also compare each pulsar's noise properties with those inferred from the EPTA DR2, using the same models. From the discrepancies, we identify potential areas where the noise models could be improved. These results highlight the potential for custom chromatic noise models to improve PTA sensitivity to GWs.

Abstract Pulsar timing array experiments have recently uncovered evidence for a nanohertz gravitational wave background by precisely timing an ensemble of millisecond pulsars. The next significant milestones for these experiments include characterizing the detected background with greater precision, identifying its source(s), and detecting continuous gravitational waves from individual supermassive black hole binaries. To achieve these objectives, generating accurate and precise times of arrival of pulses from pulsar observations is crucial. Incorrect polarization calibration of the observed pulsar profiles may introduce errors in the measured times of arrival. Further, previous studies have demonstrated that robust polarization calibration of pulsar profiles can reduce noise in the pulsar timing data and improve timing solutions. In this paper, we investigate and compare the impact of different polarization calibration methods on pulsar timing precision using three distinct calibration techniques: the Ideal Feed Assumption (IFA), Measurement Equation Modeling (MEM), and Measurement Equation Template Matching (METM). Three NANOGrav pulsars—PSRs J1643−1224, J1744−1134, and J1909−3744—observed with the 800 MHz and 1.5 GHz receivers at the Green Bank Telescope (GBT) are utilized for our analysis. Our findings reveal that all three calibration methods enhance timing precision compared to scenarios where no polarization calibration is performed. Additionally, among the three calibration methods, the IFA approach generally provides the best results for timing analysis of pulsars observed with the GBT receiver system. We attribute the comparatively poorer performance of the MEM and METM methods to potential instabilities in the reference noise diode coupled to the receiver and temporal variations in the profile of the reference pulsar, respectively.