Abstract New millisecond pulsars (MSPs) in compact binaries provide a good opportunity to search for the most massive neutron stars. Their main-sequence companion stars are often strongly irradiated by the pulsar, displacing the effective center of light from their barycenter and making mass measurements uncertain. We present a series of optical spectroscopic and photometric observations of PSR J2215+5135, a “redback” binary MSP in a 4.14 hr orbit, and measure a drastic temperature contrast between the dark/cold ( T N = 5660  K) and bright/hot ( T D = 8080  K) sides of the companion star. We find that the radial velocities depend systematically on the atmospheric absorption lines used to measure them. Namely, the semi-amplitude of the radial velocity curve (RVC) of J2215 measured with magnesium triplet lines is systematically higher than that measured with hydrogen Balmer lines, by 10%. We interpret this as a consequence of strong irradiation, whereby metallic lines dominate the dark side of the companion (which moves faster) and Balmer lines trace its bright (slower) side. Further, using a physical model of an irradiated star to fit simultaneously the two-species RVCs and the three-band light curves, we find a center-of-mass velocity of K 2 = 412.3 ± 5.0 km s −1 and an orbital inclination i = 63.°9  . Our model is able to reproduce the observed fluxes and velocities without invoking irradiation by an extended source. We measure masses of M 1 = 2.27  M ⊙ and M 2 = 0.33  M ⊙ for the neutron star and the companion star, respectively. If confirmed, such a massive pulsar would rule out some of the proposed equations of state for the neutron star interior.

Abstract The companion to PSR J1622-0315, one of the most compact known redback millisecond pulsars, shows extremely low irradiation despite its short orbital period. We model this system to determine the binary parameters, combining optical observations from the New Technology Telescope in 2017 and the Nordic Optical Telescope in 2022 with the binary modeling code ICARUS . We find a best-fit neutron star mass of 2.3 ± 0.4 M ⊙ , and a companion mass of 0.15 ± 0.02 M ⊙ . We detect for the first time low-level irradiation from asymmetry in the minima as well as a change in the asymmetry of the maxima of its light curves over five years. Using starspot models, we find better fits than those from symmetric direct heating models, with consistent orbital parameters. We discuss an alternative scenario where the changing asymmetry is produced by a variable intrabinary shock. In summary, we find that PSR J1622-0315 combines low irradiation with variable light-curve asymmetry and a relatively high neutron star mass.

Abstract We report here the results obtained from a systematic optical photometric survey aimed at finding new compact binary millisecond pulsars (also known as “spiders”): the COmpact BInary PULsar SEarch. We acquired multiband optical images over 1 yr around 33 unidentified Fermi Large Area Telescope sources, selected as pulsar candidates based on their curved GeV spectra and steady γ -ray emission. We present the discovery of four optical variables coinciding with the Fermi sources 3FGL J0737.2−3233, 3FGL J2117.6+3725 (two systems in this field), and 3FGL J2221.6+6507, which we propose as new candidate spider systems. Indeed, they all show optical flux modulation consistent with orbital periods of 0.3548(5), 0.25328(6), 0.441961(2), and 0.165(4) days, respectively, with amplitudes ≳0.3 mag and colors compatible with companion star temperatures of 5000–6000 K. These properties are consistent with the “redback” subclass of spider pulsars. If confirmed as a millisecond pulsar, 3FGL J0737.2−3233 will be the closest known spider to Earth ( D = 659 − 20 + 16  pc , from Gaia-DR3 parallax). We searched and did not find any X-ray sources matching our four candidates, placing 3 σ upper limits of ∼10 31 –10 32 erg s −1 (0.3–10 keV) on their soft X-ray luminosities. We also present and discuss other multiwavelength information on our spider candidates, from infrared to X-rays.

Abstract We present the discovery of the variable optical counterpart to PSR J2055+1545, a redback millisecond pulsar, and the first radial velocity curve of its companion star. The multi-band optical light curves of this system show a 0.4–0.6 mag amplitude modulation with a single peak per orbit and variable colours, suggesting that the companion is mildly irradiated by the pulsar wind. We find that the flux maximum is asymmetric and occurs at orbital phase ≃ 0.4, anticipating the superior conjunction of the companion (where the optical emission of irradiated redback companions is typically brightest). We ascribe this asymmetry, well fit with a hot spot in our light curve modelling, to irradiation from the intrabinary shock between pulsar and companion winds. The optical spectra obtained with the Gran Telescopio Canarias reveal a G-dwarf companion star with temperatures of 5749 ± 34 K and 6106 ± 35 K at its inferior and superior orbital conjunctions, respectively, and a radial velocity semi-amplitude of 385 ± 3 km s−1. Our best-fit model yields a neutron star mass of $1.7^{+0.4}_{-0.1} \ \mathrm{M}_{\odot }$ and a companion mass of $0.29^{+0.07}_{-0.01} \ \mathrm{M}_{\odot }$. Based on the close similarity between the optical light curve of PSR J2055+1545 and those observed from PSR J1023+0038 and PSR J1227−4853 during their rotation-powered states, we suggest this system may develop an accretion disc in the future and manifest as a transitional millisecond pulsar.