Robotic optical observations of compact binary millisecond pulsars

Abstract

Denne masteroppgaven fokuserer på robotiske optiske observasjoner av den kompakte dobbeltstjerne-millisekundpulsaren PSR J1048+2339, utført ved hjelp av Joan Oró-teleskopet (TJO). Som en del av masterarbeidet ble en programvare produsert for å effektivisere observasjoner tatt med TJO. Denne programvaren ble anvendt på data av PSR J1048+2339 samlet inn i løpet av en periode på fire måneder i 2020 av teleskopet. Vi presenterer funnene fra disse observasjonene, supplert med data samlet inn fra Nordic Optical Telescope (NOT).

Oppgaven utforsker den teoretiske bakgrunnen for nøytronstjerner og dekker emner som nøytronstjernedannelse, ulike fysiske parametere og nøytronstjerners utvikling. Vi undersøker hvordan feltet for observasjonsastrofysikk påvirkes av moderne, robotiske, optiske observasjonsmetoder, inkludert bruk av heldekkende undersøkelser av nattehimmelen (sky surveys) og små robotiske teleskoper. Fra dette utgangspunktet utvikler og implementerer vi en brukervennlig programvare og demonstrerer dens praktiske fordeler for observatører som benytter TJO.

Videre presenterer vi resultatene av optiske fotometriske observasjoner av den kompakte dobbeltstjerne-millisekundpulsaren PSR J1048+2339, utført både ved hjelp av TJO og NOT. Dataene viser konsekvente, asymmetriske lyskurver med ett enkelt maksimum. Dette enkle makimumet i lyskurven tyder på at kompanjongstjernen er bestrålt av millisekundpulsaren, mens asymmetrien kan være resultatet av et sjokk mellom stjernene som følge av interaksjonen mellom pulsarvinden og kompanjongvinden. Grunnet den sirkulære bevegelsen til stjernene om hverandre kan dette sjokket flyttes mot siden av kompanjongstjernen som er vendt vekk fra bevegelsesretningen. Lyskurvene viser ulike grader av asymmetri mellom ulike bånd, noe som potensielt kan tilskrives den underliggende ellipsoidale modulasjonen som forventes av en deformert kompanjonstjerne. Vi spekulerer i om dette kan skyldes en varm flekk, som følge av pulsarstrålingen, med høyest temperatur ved fase 0.45.

This master's thesis focuses on the robotic optical observations of the compact binary millisecond pulsar PSR J1048+2339, obtained using the Joan Oró Telescope (TJO). As part of the thesis work, a pipeline to streamline the observations taken with the TJO was developed. This pipeline was applied to observations of PSR J1048+2339 taken with the TJO over a four-month period in 2020. We present the findings from these observations, complemented by data gathered from the Nordic Optical Telescope (NOT).

The thesis also presents the theoretical background for the study of neutron stars, covering topics such as their formation, physical parameters, and evolution. We discuss how the field of observational astrophysics is shaped by modern robotic optical observing methods, including the use of sky surveys and small robotical telescopes. Building upon this, we develop and implement a user-friendly pipeline and demonstrate its practical advantages for observers utilizing the TJO.

Furthermore, we present the results of optical photometric observations of the compact binary millisecond pulsar PSR J1048+2339 obtained from both the TJO and the NOT. The data reveal consistent single-peaked asymmetrical light curves over the course of four months of observations. The single-peaked nature of the light curve points to an irradiated companion. We find a strong asymmetry; the flux maximum is observed about $0.1$ orbital cycles before superior conjunction of the companion star. This might be the result of a swept-back intra-binary shock. We speculate that this disparity may lead to a hotspot with its highest temperature occurring at phase 0.45.