Supernova remnants (SNRs) are the end products of supernova (SN) explosions, which occur when certain massive stars reach the end of their evolutionary cycles. When material from the progenitor star is ejected during the explosion a shock wave is created. These shocks propagate outwards from the explosion centre, sweeping up the surrounding medium, thereby forming a shell behind the shock front. While the outer regions are shaped by the blast wave shocks, the central regions of some SNRs host a pulsar, a spinning neutron star that emits electromagnetic radiation through its magnetic poles, and a pulsar-wind nebula (PWN), where relativistic particles and magnetic fields escaping the pulsar interact with the surroundings.

Many aspects concerning SNR physics await their discovery. Active areas of research include finding the link between the progenitor stars, SN explosions, and the resulting SNRs, as well as understanding of the complex conditions in SNR shocks. Furthermore, while the emission from the central pulsars and PWNe across the whole spectral energy distribution is broadly understood, the details of the underlying physical processes remain uncertain. This thesis contributes to advancing our understanding of these topics by presenting a detailed investigation of the optical emission from SNR 0540–69.3 (SNR 0540). Using the Very Large Telescope’s instruments MUSE and X-shooter, it provides, for the first time, an integral-field spectroscopic view of the entire optical SNR 0540, and access to its near-infrared spectrum.

Paper I focuses on studying the shape of the optical continuum emission of the pulsar and PWN in the central SNR 0540. The optical continuum emission from the PWN is analysed by fitting power-law models to the spectra, allowing the construction of a spatial map of spectral slopes, referred to as spectral indices, across the remnant. This spectral index map reveals distinct spatial variations, including a torus-jet structure and a general trend of shallower spectral indices (decreasing spectral index) towards the outer regions of the PWN. This so-called spatial spectral hardening toward the outer edges of the PWN is opposite to what has been previously observed (e.g., for the Crab Nebula), and therefore provides new insights into the particle distributions and acceleration in PWNe. The optical continuum emission of the pulsar is also analysed, revealing a softer pulsar spectrum (i.e. a greater spectral index) compared to the spatially integrated spectrum of the PWN. This is opposite to what has been observed for the Crab Nebula, despite the many similarities these two remnants share. The spectral difference between SNR 0540 and the Crab Nebula pulsars may propagate to their respective PWNe, potentially explaining the contrasting trends in spatial spectral index variations observed between these two nebulae.

Paper II adds SNR 0540 to the sample of SNRs, whose optical shock emission has been studied utilising modern integral-field spectroscopic instruments. Using the MUSE data, the spatial and spectral properties of shock-related emission lines are analysed by two different analytical approaches: one to study complete emission line spectra from selected spatial regions in the MUSE field of view (FOV), and another to obtain spatially resolved results for individual emission lines across the entire FOV. Specialised background, and emission line fitting algorithms are developed for both approaches. These methods reveal inhomogeneous and clumpy shock emission tracing the blast-wave shell previously observed in X-rays (as demonstrated with archival Chandra X- ray data), from lines such as [S II] 𝜆𝜆6716,6731 and [Fe XIV] 𝜆5303. The physical properties of the shock-interacting regions are estimated using various emission line ratios, highlighting the complex nature of the surrounding medium around SNR 0540 and confirming previous findings for this and similar remnants. Additionally, a spectrum extracted south of the PWN reveals emission lines whose identity and origins remain unknown. Possible explanations, such as Fe lines originating from a high-velocity ejecta clump, present challenges and call for further investigation.

SNR 0540 is a young Type II SNR in the Large Magellanic Cloud (LMC), hosting a highly energetic pulsar and a PWN. Observations indicate that this remnant is expanding within a cavity, with it’s blast wave interacting with the surrounding medium. The findings of this thesis suggest that the optical continuum emission from pulsars and their nebulae may be more complex than previously assumed. Existing models are largely based on the Crab Nebula, to which SNR 0540 is often considered as “twin”, yet this thesis identifies additional key differences between the two. These results call for further optical observations of continuum emission from pulsars and PWNe, as well as theoretical development in this area. In addition, this thesis supports similar studies of shock interaction in other SNRs in the LMC and Small MC, documenting the underlying shock conditions as well as showing that the blast wave evolution is strongly influenced by the surrounding medium. Finally, the methods developed in this thesis can be applied to other integral-field spectroscopic studies of SNR 0540 across different wavelengths, as well as to similar observations of other SNRs.

Supernovarester (engelska “supernova remnants”, SNRs) är slutprodukterna av supernovaexplosioner (SN), som inträffar när vissa massiva stjärnor når slutet av sina evolutionära cykler. När material från progenitorstjärnan kastas ut under explosionen skapas en chockvåg. När dessa chockvågor sprider sig utåt från explosionscentrum sveper de upp det omgivande mediet och bildar därmed ett skal bakom chockfronten. Medan de yttre regionerna formas av chockvågen, rymmer de centrala regionerna i vissa SNR en pulsar, en roterande neutronstjärna som avger elektromagnetisk strålning genom sin magnetiska poler, och en pulsarvindnebulosa (engelska “pulsar-wind nebula”, PWN), där relativistiska partiklar och magnetfält som flyr från pulsaren interagerar med omgivningen. På grund av deras roll i att sprida stjärnmaterial till omgivningen, bidrar SNRs avsevärt till universums kemiska utveckling.

Många aspekter av SNR-fysik återstår att upptäcka. Aktiva forskningsområden inkluderar att hitta kopplingen mellan progenitorstjärnor, SN-explosioner och de resulterande SNRs, samt att förstå de komplexa förhållandena i SNR-chocker. Dessutom, även om emissionen från de centrala pulsarer och PWNe över hela det spektrala energifördelningen är allmänt förstådd, förblir detaljerna i de underliggande fysikaliska processerna osäkra. Denna avhandling bidrar till att öka vår förståelse av dessa forskningsområden genom att presentera en detaljerad undersökning av den optiska emissionen från SNR 0540–69.3 (SNR 0540). Med hjälp av Very Large Telescopes instrument MUSE och X-shooter, presenteras här, för första gången, en integralfältspektroskopisk avbildning av hela den optiska SNR 0540 samt dess nära-infraröda spektrum.

Artikel I fokuserar på att studera formen av den optiska kontinuitetsemissionen från pulsaren och PWN i den centrala SNR 0540. Den optiska kontinuitetsemissionen från PWN analyseras genom att anpassa potenslagmodeller till spektra, vilket möjliggör konstruktionen av en rumslig karta över spektrala lutningar, kallade spektrala index, över resten. Denna spektrala indexkarta avslöjar distinkta rumsliga variationer, inklusive en torus-jet-struktur och en allmän trend av grundare spektrala index (minskande spektralt index) mot de yttre regionerna av PWN. Denna så kallade rumsliga spektrala härdning mot de yttre kanterna av PWN är motsatt till vad som tidigare observerats (t.ex. för Krabbnebulosan) och ger därför nya insikter i partikeldistributioner och acceleration i PWN. Den optiska kontinuitetsemissionen från pulsaren analyseras också och avslöjar ett mjukare pulsarspektrum (dvs. ett större spektralt index) jämfört med det rumsligt integrerade spektrumet av PWN. Detta är motsatt till vad som observerats för Krabbnebulosan, trots de många likheterna dessa två rester delar. Den spektrala skillnaden mellan SNR 0540 och Krabbnebulosans pulsarer kan sprida sig till deras respektive PWN, vilket potentiellt förklarar de kontrasterande trenderna i rumsliga spektrala indexvariationer som observerats mellan dessa två nebulosor.

Artikel II lägger till SNR 0540 till urvalet av SNRs vars optiska chockemission har studerats med moderna integralfältspektroskopiska instrument. Med hjälp av MUSE-data analyseras de rumsliga och spektrala egenskaperna hos chockrelaterade emissionslinjer med två olika analytiska tillvägagångssätt: ett för att studera kompletta emissionslinjespektra från utvalda rumsliga regioner i MUSEs synfält (engelska “field of view”, FOV) och ett annat för att erhålla rumsligt upplösta resultat för individuella emissionslinjer över hela FOV. Specialiserade bakgrunds- och emissionslinjeanpassningsalgoritmer utvecklas för båda tillvägagångssätten. Dessa metoder avslöjar inhomogen och klumpig chockemission som följer chockvågsskalet som tidigare observerats i röntgenstrålning (som demonstreras med arkivdata från Chandra), från linjer som till exempel [S II] 𝜆𝜆6716,6731 och [Fe XIV]𝜆5303. De fysikaliska egenskaperna hos de chockinteragerande regionerna uppskattas med hjälp av olika emissionslinjeförhållanden, vilket belyser den komplexa naturen hos det omgivande mediet runt SNR 0540 och bekräftar tidigare fynd för denna och liknande rester. Dessutom avslöjar ett spektrum som extraherats söder om PWN emissionslinjer vars identitet och ursprung förblir okända. Möjliga förklaringar, såsom Fe-linjer som härrör från en hög-hastighets ejekta-klump, utgör utmaningar och kräver vidare undersökning.

SNR 0540 är en ung Typ II SNR i Stora Magellanska Molnet (engelska “Large Magellanic Cloud”, LMC), som hyser en mycket energirik pulsar och en PWN. Observationer indikerar att denna rest expanderar i en kavitet där dess chockfront interagerar med det omgivande mediet. Resultaten i denna avhandling tyder på att det optiska kontinuerliga emissionen från pulsarer och deras nebulosor kan vara mer komplex än tidigare antagits. Befintliga modeller är i stor utsträckning baserade på Krabbnebulosan, till vilken SNR 0540 ofta betraktas som en “tvilling”, men denna avhandling identifierar ytterligare viktiga skillnader mellan de två. Dessa resultat påkallar ytterligare optiska observationer av kontinuerlig emission från pulsarer och PWNe, liksom fortsatt teoretisk utveckling inom detta område. Dessutom, stödjer denna avhandling liknande studier av chockinteraktion i andra SNRs i LMC och Lilla MC, där de underliggande chocförhållandena dokumenteras och det visas att chockfrontens utveckling är stark påverkad av det omgivande mediet. Slutligen kan de metoder som utvecklats i denna avhandling tillämpas på andra integralfältspektroskopiska studier av SNR 0540 vid olika våglängder, liksom på motsvarande observationer av andra SNRs.