We present a comprehensive study of spectroscopic radius measurements of twelve neutron stars obtained during thermonuclear bursts or in quiescence. We incorporate, for the first time, a large number of systematic uncertainties in the measurement of the apparent angular sizes, Eddington fluxes, and distances, in the composition of the interstellar medium, and in the flux calibration of X-ray detectors. We also take into account the results of recent theoretical calculations of rotational effects on neutron star radii, of atmospheric effects on surface spectra, and of relativistic corrections to the Eddington critical flux. We employ Bayesian statistical frameworks to obtain neutron star radii from the spectroscopic measurements as well as to infer the equation of state from the radius measurements. Combining these with the results of experiments in the vicinity of nuclear saturation density and the observations of ~2 Msun neutron stars, we place strong and quantitative constraints on the properties of the equation of state between approximately 2-8 times the nuclear saturation density. We find that around M=1.5 Msun, the preferred equation of state predicts radii between 10.1 - 11.1 km. When interpreting the pressure constraints in the context of high density equations of state based on interacting nucleons, our results suggest a relatively weak contribution of the three-body interaction potential.

The well known Crab Nebula is at the center of the SN1054 supernova remnant. It consists of a rotationally-powered pulsar interacting with a surrounding nebula through a relativistic particle wind. The emissions originating from the pulsar and nebula have been considered to be essentially stable. Here we report the detection of strong gamma-ray (100 MeV-10 GeV) flares observed by the AGILE satellite in September, 2010 and October, 2007. In both cases, the unpulsed flux increased by a factor of 3 compared to the non-flaring flux. The flare luminosity and short timescale favor an origin near the pulsar, and we discuss Chandra Observatory X-ray and HST optical follow-up observations of the nebula. Our observations challenge standard models of nebular emission and require power-law acceleration by shock-driven plasma wave turbulence within a ~1-day timescale.

According to recent results of Ho & Heinke (2009) and Heinke & Ho (2010), the Cassiopeia A supernova remnant contains a young neutron star which has carbon atmosphere and shows noticeable decline of the effective surface temperature. We report a new (November 2010) Chandra observation which confirms the previously reported decline rate. The decline is naturally explained if neutrons have recently become superfluid (in triplet-state) in the NS core, producing a splash of neutrino emission due to Cooper pair formation (CPF) process that currently accelerates the cooling. This scenario puts stringent constraints on poorly known properties of NS cores: on density dependence of the temperature $T_\mathrm{cn}(\rho)$ for the onset of neutron superfluidity [$T_\mathrm{cn}(\rho)$ should have a wide peak with maximum $\approx (7-9)\times 10^8$ K], on the reduction factor $q$ of CPF process by collective effects in superfluid matter ($q > 0.4$), and on the intensity of neutrino emission before the onset of neutron superfluidity (30--100 times weaker than the standard modified Urca process). This is serious evidence for nucleon superfluidity in NS cores that comes from observations of cooling NSs.

We analyze observations of eight quiescent low-mass X-ray binaries in globular clusters and combine them to determine the neutron star mass-radius curve and the equation of state of dense matter. We determine the effect that several uncertainties may have on our results, including uncertainties in the distance, the atmosphere composition, the neutron star maximum mass, the neutron star mass distribution, the possible presence of a hotspot on the neutron star surface, and the prior choice for the equation of state of dense matter. We find that the radius of a 1.4 solar mass neutron star is most likely from 10 to 14 km and that tighter constraints are only possible with stronger assumptions about the nature of the neutron stars, the systematics of the observations, or the nature of dense matter. Strong phase transitions are preferred over other models and interpretations of the data with a Bayes factor of 8 or more, and in this case, the radius is likely smaller than 12 km. However, radii larger than 12 km are preferred if the neutron stars have uneven temperature distributions.

Abstract JWST, despite not being designed to observe astrophysical phenomena that vary on rapid timescales, can be an unparalleled tool for such studies. If timing systematics can be controlled, JWST will be able to open up the subsecond infrared timescale regime. Rapid time-domain studies, such as lag measurements in accreting compact objects and solar system stellar occultations, require both precise interframe timing and knowing when a time series begins, down to an absolute accuracy significantly below 1 s. In this work, we present two long-duration observations of the deeply eclipsing double white dwarf system ZTF J153932.16+502738.8, which we use as a natural timing calibrator to measure the absolute timing accuracy of JWST's clock. From our two epochs, we measure an average clock accuracy of 0.12 ± 0.06 s, implying that JWST can be used for subsecond time-resolution studies down to the ∼100 ms level, a factor ∼5 improvement upon the prelaunch clock accuracy requirement. We also find an asymmetric eclipse profile in the F322W2 band, which we suggest has a physical origin.

ABSTRACT This is a concise and non‐technical review of topics related to neutron star (NS) cooling, for both young NSs and NSs in low‐mass x‐ray binaries. Neutrino emission from the NS core drives cooling rates, via different processes including Urca processes and pair breaking and formation at the neutron superfluid critical temperature. Key insights have been given by the temperatures of the coldest NSs, by the rapid (questioned) cooling of the Cas A NS, and by measuring the cooling of transient NS x‐ray binaries after accretion episodes.

Abstract We present mid-infrared (MIR) spectral-timing measurements of the prototypical Galactic microquasar GRS 1915+105. The source was observed with the Mid-Infrared Instrument (MIRI) onboard JWST in June 2023 at a MIR luminosity LMIR ≈ 1036 erg s−1 exceeding past IR levels by about a factor of 10. In contrast, the X-ray flux is much fainter than the historical average, in the source’s now–persistent ‘obscured’ state. The MIRI low-resolution spectrum shows a plethora of emission lines, the strongest of which are consistent with recombination in the hydrogen Pfund (Pf) series and higher. Low amplitude (∼ 1%) but highly significant peak-to-peak photometric variability is found on timescales of ∼ 1,000 s. The brightest Pf (6–5) emission line lags the continuum. Though difficult to constrain accurately, this lag is commensurate with light-travel timescales across the outer accretion disc or with expected recombination timescales inferred from emission line diagnostics. Using the emission line as a bolometric indicator suggests a moderate (∼ 5–30 % Eddington) intrinsic accretion rate. Multiwavelength monitoring shows that JWST caught the source close in-time to unprecedentedly bright MIR and radio long-term flaring. Assuming a thermal bremsstrahlung origin for the MIRI continuum suggests an unsustainably high mass-loss rate during this time unless the wind remains bound, though other possible origins cannot be ruled out. PAH features previously detected with Spitzer are now less clear in the MIRI data, arguing for possible destruction of dust in the interim. These results provide a preview of new parameter space for exploring MIR spectral-timing in XRBs and other variable cosmic sources on rapid timescales.

Abstract We present a comprehensive analysis of the optical and infrared (IR) properties of high-mass X-ray binary (HMXB) IC 10 X-2, classified as a supergiant HMXB and superfast X-ray transient by previous work. Our analysis of regular (daily and weekly) observations by both the Zwicky Transient Facility and Las Cumbres Observatory over a 5 yr period indicates both periodic flares and variations in the apparent magnitude and color with a period of ∼26.5 days—likely the orbital period of this binary system. The periodic flaring suggests the stellar companion is a Be star, with flares resulting from increased accretion onto the neutron star (NS) when it enters the stellar decretion disk. The periodic variations in the optical/IR brightness and color likely result from orbital variations in the hydrogen column density along the line of sight or a transient accretion disk around the NS. Lastly, the numerous short-duration episodes where IC 10 X-2 is significantly “redder” or “bluer” than normal likely result from clumps within this system—which can accrete onto the NS (causing IC 10 X-2 to appear bluer) or pass through the line of sight (causing IC 10 X-2 to appear redder). These results substantially increase our understanding of the evolution of this source, which is a significant source of ionizing photons in its host galaxy IC 10, a low-mass, metal-poor starburst galaxy similar in many respects to those thought to be common in the early Universe.