This catalog summarizes 117 high-confidence ⩾0.1 GeV gamma-ray pulsar detections using three years of data acquired by the Large Area Telescope (LAT) on the Fermi satellite. Half are neutron stars discovered using LAT data through periodicity searches in gamma-ray and radio data around LAT unassociated source positions. The 117 pulsars are evenly divided into three groups: millisecond pulsars, young radio-loud pulsars, and young radio-quiet pulsars. We characterize the pulse profiles and energy spectra and derive luminosities when distance information exists. Spectral analysis of the off-peak phase intervals indicates probable pulsar wind nebula emission for four pulsars, and off-peak magnetospheric emission for several young and millisecond pulsars. We compare the gamma-ray properties with those in the radio, optical, and X-ray bands. We provide flux limits for pulsars with no observed gamma-ray emission, highlighting a small number of gamma-faint, radio-loud pulsars. The large, varied gamma-ray pulsar sample constrains emission models. Fermi's selection biases complement those of radio surveys, enhancing comparisons with predicted population distributions.

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 present new limits on an isotropic stochastic gravitational-wave background (GWB) using a six pulsar dataset spanning 18 yr of observations from the 2015 European Pulsar Timing Array data release. Performing a Bayesian analysis, we fit simultaneously for the intrinsic noise parameters for each pulsar, along with common correlated signals including clock, and Solar System ephemeris errors, obtaining a robust 95$\%$ upper limit on the dimensionless strain amplitude $A$ of the background of $A<3.0\times 10^{-15}$ at a reference frequency of $1\mathrm{yr^{-1}}$ and a spectral index of $13/3$, corresponding to a background from inspiralling super-massive black hole binaries, constraining the GW energy density to $\Omega_\mathrm{gw}(f)h^2 < 1.1\times10^{-9}$ at 2.8 nHz. We also present limits on the correlated power spectrum at a series of discrete frequencies, and show that our sensitivity to a fiducial isotropic GWB is highest at a frequency of $\sim 5\times10^{-9}$~Hz. Finally we discuss the implications of our analysis for the astrophysics of supermassive black hole binaries, and present 95$\%$ upper limits on the string tension, $G\mu/c^2$, characterising a background produced by a cosmic string network for a set of possible scenarios, and for a stochastic relic GWB. For a Nambu-Goto field theory cosmic string network, we set a limit $G\mu/c^2<1.3\times10^{-7}$, identical to that set by the {\it Planck} Collaboration, when combining {\it Planck} and high-$\ell$ Cosmic Microwave Background data from other experiments. For a stochastic relic background we set a limit of $\Omega^\mathrm{relic}_\mathrm{gw}(f)h^2<1.2 \times10^{-9}$, a factor of 9 improvement over the most stringent limits previously set by a pulsar timing array.

The dramatic increase in the number of known gamma-ray pulsars since the launch of the Fermi Gamma-ray Space Telescope (formerly GLAST) offers the first opportunity to study a sizable population of these high-energy objects. This catalog summarizes 46 high-confidence pulsed detections using the first six months of data taken by the Large Area Telescope (LAT), Fermi's main instrument. Sixteen previously unknown pulsars were discovered by searching for pulsed signals at the positions of bright gamma-ray sources seen with the LAT, or at the positions of objects suspected to be neutron stars based on observations at other wavelengths. The dimmest observed flux among these gamma-ray-selected pulsars is 6.0 × 10−8 ph cm−2 s−1 (for E>100 MeV). Pulsed gamma-ray emission was discovered from 24 known pulsars by using ephemerides (timing solutions) derived from monitoring radio pulsars. Eight of these new gamma-ray pulsars are millisecond pulsars. The dimmest observed flux among the radio-selected pulsars is 1.4 × 10−8 ph cm−2 s−1 (for E>100 MeV). The remaining six gamma-ray pulsars were known since the Compton Gamma Ray Observatory mission, or before. The limiting flux for pulse detection is non-uniform over the sky owing to different background levels, especially near the Galactic plane. The pulsed energy spectra can be described by a power law with an exponential cutoff, with cutoff energies in the range ∼1–5 GeV. The rotational energy-loss rate (Ė) of these neutron stars spans five decades, from ∼3 × 1033 erg s−1 to 5 × 1038 erg s−1, and the apparent efficiencies for conversion to gamma-ray emission range from ∼0.1% to ∼ unity, although distance uncertainties complicate efficiency estimates. The pulse shapes show substantial diversity, but roughly 75% of the gamma-ray pulse profiles have two peaks, separated by ≳0.2 of rotational phase. For most of the pulsars, gamma-ray emission appears to come mainly from the outer magnetosphere, while polar-cap emission remains plausible for a remaining few. Spatial associations imply that many of these pulsars power pulsar wind nebulae. Finally, these discoveries suggest that gamma-ray-selected young pulsars are born at a rate comparable to that of their radio-selected cousins and that the birthrate of all young gamma-ray-detected pulsars is a substantial fraction of the expected Galactic supernova rate.

The highly stable spin of neutron stars can be exploited for a variety of (astro)physical investigations. In particular, arrays of pulsars with rotational periods of the order of milliseconds can be used to detect correlated signals such as those caused by gravitational waves. Three such ‘pulsar timing arrays’ (PTAs) have been set up around the world over the past decades and collectively form the ‘International’ PTA (IPTA). In this paper, we describe the first joint analysis of the data from the three regional PTAs, i.e. of the first IPTA data set. We describe the available PTA data, the approach presently followed for its combination and suggest improvements for future PTA research. Particular attention is paid to subtle details (such as underestimation of measurement uncertainty and long-period noise) that have often been ignored but which become important in this unprecedentedly large and inhomogeneous data set. We identify and describe in detail several factors that complicate IPTA research and provide recommendations for future pulsar timing efforts. The first IPTA data release presented here (and available online) is used to demonstrate the IPTA's potential of improving upon gravitational-wave limits placed by individual PTAs by a factor of ∼2 and provides a 2σ limit on the dimensionless amplitude of a stochastic gravitational-wave background of 1.7 × 10−15 at a frequency of 1 yr−1. This is 1.7 times less constraining than the limit placed by Shannon et al., due mostly to the more recent, high-quality data they used.

We report on the high-precision timing of 42 radio millisecond pulsars (MSPs) observed by the European Pulsar Timing Array (EPTA). This EPTA Data Release 1.0 extends up to mid-2014 and baselines range from 7-18 years. It forms the basis for the stochastic gravitational-wave background, anisotropic background, and continuous-wave limits recently presented by the EPTA elsewhere. The Bayesian timing analysis performed with TempoNest yields the detection of several new parameters: seven parallaxes, nine proper motions and, in the case of six binary pulsars, an apparent change of the semi-major axis. We find the NE2001 Galactic electron density model to be a better match to our parallax distances (after correction from the Lutz-Kelker bias) than the M2 and M3 models by Schnitzeler (2012). However, we measure an average uncertainty of 80\% (fractional) for NE2001, three times larger than what is typically assumed in the literature. We revisit the transverse velocity distribution for a set of 19 isolated and 57 binary MSPs and find no statistical difference between these two populations. We detect Shapiro delay in the timing residuals of PSRs J1600$-$3053 and J1918$-$0642, implying pulsar and companion masses $m_p=1.22_{-0.35}^{+0.5} \text{M}_{\odot}$, $m_c = 0.21_{-0.04}^{+0.06} \text{M}_{\odot }$ and $m_p=1.25_{-0.4}^{+0.6} \text{M}_{\odot}$, $m_c = 0.23_{-0.05}^{+0.07} \text{M}_{\odot }$, respectively. Finally, we use the measurement of the orbital period derivative to set a stringent constraint on the distance to PSRs J1012$+$5307 and J1909$-$3744, and set limits on the longitude of ascending node through the search of the annual-orbital parallax for PSRs J1600$-$3053 and J1909$-$3744.

The centre of our Milky Way harbours the closest candidate for a supermassive black hole. The source is thought to be powered by radiatively inefficient accretion of gas from its environment. This form of accretion is a standard mode of energy supply for most galactic nuclei. X-ray measurements have already resolved a tenuous hot gas component from which it can be fed. However, the magnetization of the gas, a crucial parameter determining the structure of the accretion flow, remains unknown. Strong magnetic fields can influence the dynamics of the accretion, remove angular momentum from the infalling gas, expel matter through relativistic jets and lead to the observed synchrotron emission. Here we report multi-frequency measurements with several radio telescopes of a newly discovered pulsar close to the Galactic Centre and show that its unusually large Faraday rotation indicates a dynamically relevant magnetic field near the black hole. If this field is accreted down to the event horizon it provides enough magnetic flux to explain the observed emission from the black hole, from radio to X-rays.

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.