miniatura|Recreació artística del sistema Cygnus X-1 Cygnus X-1 és la font de raigs X d'alta energia més brillant que es pot observar al cel, i és a la constel·lació del Cigne. Es considera el primer exemple conegut de forat negre, i va ser identificat per Tom Bolton a les instal·lacions de la Universitat de Toronto.
El sistema és a uns 8.000 anys llum (2.500 parsecs) i forma part d'un sistema binari al costat d'una estrella supergegant blava d'una magnitud aparent de 8,9. Es tracta d'un objecte molt compacte la massa del qual és entre 7 i 13 vegades la massa del Sol, i com la massa màxima calculada per a una estrella de neutrons és de tres sols, es dedueix que és un forat negre.
Se suposa que res no pot escapar dels forats negres, ni tan sols els fotons; però no és el forat el que emet els raigs X, sinó la matèria que està a punt de caure-hi. Tot apunta que el forat té un disc d'acreció format per gasos i plasma que s'arremolina des de la supergegant al forat.
Descobriment i observació L'observació de les emissions de raigs X permet als astrònoms estudiar fenòmens celestes que impliquen gas amb temperatures en milions de graus. No obstant això, com que les emissions de raigs X són bloquejades per l'atmosfera terrestre, l'observació de les fonts de rajos X celestes no és possible sense aixecar instruments a altures on els rajos X poden penetrar. Cygnus X-1 es va descobrir amb instruments de raigs X que van ser transportats per un coet sonda llançat des del White Sands Missile Range a Nou Mèxic. Com a part d'un esforç continu per cartografiar aquestes fonts, es va realitzar un sondeig el 1964 amb dos coets suborbitals Aerobee. Els coets van transportar comptadors Geiger per mesurar l'emissió de raigs X en rang de longitud d'ona 1– a través d'una secció de 8,4° del cel. Aquests instruments van apuntar el cel a mesura que els coets giraven, i aixíi van produir un mapa de sondeig molt espaiat.
Com a resultat d'aquests sondeigs, es van descobrir vuit noves fonts de raigs X còsmiques, incloent-hi Cyg XR-1 (més tard Cyg X-1) en la constel·lació del cigne. Les coordenades celestes d'aquesta font es van estimar en ascensió recta 19h53m i declinació 34,6°. No es va associar amb cap font especial de ràdio o òptica en aquesta posició.
Veient la necessitat d'estudis de més durada, el 1963 Riccardo Giacconi i Herb Gursky van proposar el primer satèl·lit orbital per estudiar fonts de raigs X. La NASA va llançar el seu satèl·lit Uhuru el 1970, que va conduir al descobriment de tres-cents noves fonts de raigs X. Les observacions ampliades d'Uhuru a Cygnus X-1 van mostrar fluctuacions en la intensitat de raigs X que es produeixen diverses vegades per segon. Aquesta ràpida variació va significar que la generació d'energia s'ha de dur a terme en una regió relativament petita d'aproximadament 10⁵ km,Aquesta és la llum de distància que pot viatjar en un terç de segon. ja que la velocitat de la llum restringeix la comunicació entre regions més llunyanes. Per a una comparació de mida, el diàmetre del Sol és al voltant d'1,4×10⁶ km.
Entre abril–maig de 1971, Luc Braes i George K. Miley de l'Observatori de Leiden, i independentment Robert M. Hjellming i Campbell Wade al National Radio Astronomy Observatory, van detectar una emissió de ràdio des de Cygnus X-1, i la seva exacta posició de ràdio va identificar la font de rajos X a l'estrella AGK2 +35 1910 = HDE 226868. A l'esfera celeste, aquesta estrella és al voltant de la meitat d'un grau de l'estrella de 4a magnitud Eta Cygni. És una estrella supergegant que, per si mateixa, és incapaç d'emetre les quantitats observades de raigs X. Per tant, l'estrella ha de tenir un company que pugui escalfar el gas als milions de graus necessaris per produir la font de radiació Cygnus X-1.
Louise Webster i Paul Murdin, a l'Observatori Reial de Greenwich, i Charles Thomas Bolton, treballant de forma independent al David Dunlap Observatory de la Universitat de Toronto, van anunciar el descobriment del company amagat i massiu HDE 226868 el 1971. Les mesures amb l'efecte Doppler de l'espectre de l'estrella van demostrar la presència de l'acompanyant i va permetre estimar-ne la massa a partir dels paràmetres orbitals. Sobre la base de l'alta massa predictiva de l'objecte, es va suposar que podria ser un forat negre com l'estrella de neutrons més gran possible no pot excedir tres vegades la massa del Sol.
Amb altres observacions reforçant l'evidència, cap a final de 1973 la comunitat astronòmica en general va concedir que Cygnus X-1 era probablement un forat negre. Unes mesures més precises de Cygnus X-1 van demostrar la variabilitat fins a un sol mil·lisegon. Aquest interval és coherent amb la turbulència en un disc de matèria acretada que envolta un forat negre—el disc d'acreció. Els esclats de raigs X que duren aproximadament un terç d'un segon corresponen el temps esperat de la matèria que cau cap a un forat negre.
miniatura|Aquesta imatge de raigs X de Cygnus X-1 va ser presa per un telescopi en un globus, el projecte High Energy Replicated Optics (HERO). Imatge de la NASA. Des de llavors, Cygnus X-1 va ser estudiada extensament utilitzant observacions instrumentals en òrbita o terrestres. Les similituds entre les emissions binàries de raigs X com ara HDE 226868/Cygnus X-1 i el nucli de galàxia actiu suggereix un mecanisme comú de generació d'energia que inclou un forat negre, un disc d'acreció orbital i jets associats. Per aquesta raó, Cygnus X-1 s'identifica entre una classe d'objectes anomenada microquàsars; un anàleg dels quàsars, o fonts de ràdio quasi estel·lars, ara conegudes com a nuclis galàctics actius distants. Els estudis científics de sistemes binaris com HDE 226868/Cygnus X-1 poden donar lloc a noves idees sobre la mecànica de galàxies actives.
Sistema estel·lar Es tracta d'un objecte compacte i una estrella supergegant blava que formen un sistema binari orbitant al voltant del seu centre de masses cada 5,599829 dies. Des de la perspectiva de la Terra, l'objecte compacte mai no passa per darrere de l'altra estrella; en altres paraules, el sistema no eclipsa. No obstant, la inclinació del pla orbital a la línia de visió des de la Terra roman incert, amb prediccions entre 27–65°. Un estudi de 2007 va estimar la inclinació en 48,0 ± 6,8°, el que significaria que el semieix major és al voltant dels 0,2 ua, o el 20% de la distància de la Terra al Sol. L'excentricitat de l'òrbita es creu que només és de 0,0018 ± 0,002; una òrbita gairebé circular. La distància de la Terra a aquest sistema és aproximadament 1.860 ± 120 parsecs (6.070 ± 390 anys llum).
El sistema HDE 226868/Cygnus X-1 comparteix un moviment comú a través de l'espai amb una associació d'estrelles massives nomenades Cygnus OB3, que es troben aproximadament a 2000 parsecs del Sol. Això implica que HDE 226868, Cygnus X-1 i aquesta associació OB pot haver estat format al mateix temps i lloc. Si és així, el sistema té una l'edat de 5±1,5 Ma. El moviment de HDE 226868 respecte Cygnus OB3 és de 9 ± 3 km/s; un valor típic per al moviment aleatori dins d'una associació estel·lar. HDE 226868 és a 60 parsecs des del centre de l'associació, i podria haver arribat a aquesta separació aproximadament 7 ± 2 Ma, el que coincideix potencialment amb l'edat estimada de l'associació.
Amb una latitud galàctica de 4 graus i longitud galàctica de 71 graus, aquest sistema es dirigeix cap a l'interior del mateix Braç d'Orió en què el Sol es troba dins de la Via Làctia, prop d'on s'apropa el Braç de Sagitari. Cygnus X-1 va ser descrit pertanyent al Braç de Sagitari, tot i que l'estructura de la Via Làctia no està ben establerta.
Objecte compacte Hi ha una mica d'incertesa sobre la massa de l'objecte compacte. Els models evolutius estel·lars suggereixen una massa de 20 ± 5 masses solars, mentre que altres tècniques van donar lloc a 10 masses solars. La mesura de les periodicitats en l'emissió de raigs X prop de l'objecte ha donat un valor més precís 14,8 ± 1 masses solars. En tots els casos, l'objecte és probablement un forat negre—una regió de l'espai amb un camp gravitatori que és prou fort com per evitar l'escapament de radiació electromagnètica des de l'interior. El límit d'aquesta regió es diu l'horitzó d'esdeveniments i té un radi efectiu anomenat el radi de Schwarzschild, que són 44 km per a Cygnus X-1. Tot (incloent matèria i fotons) el que intenta passar a través d'aquest límit no es pot escapar.
Les proves d'un horitzó d'esdeveniments semblant pot haver estat detectat el 1992 usant observacions ultraviolades (UV) amb el High Speed Photometer («Fotòmetre d'alta velocitat») a bord del Telescopi espacial Hubble. A mesura que els cúmuls auto-lluminosos de matèria entren en forma d'espiral en un forat negre, la seva radiació s'emetrà en una sèrie de polsos que estan subjectes al desplaçament al roig gravitatori, ja que el material s'apropa a l'horitzó. És a dir, les longituds d'ona de la radiació s'incrementaran constantment, tal com prediu la teoria de la relativitat general. La matèria colpejant un objecte sòlid i compacte emetria una explosió final d'energia, mentre que el material que passava per un horitzó d'esdeveniments no ho faria. Dos d'aquests «trens de pols decadents» van ser observats, que són coherents amb l'existència d'un forat negre.
L'anàlisi previ de dades de l'observatori espacial de raigs X Chandra va suggerir que Cygnus X-1 no estava girant en cap grau significativament. Tanmateix, una evidència anunciada el 2011 va suggerir que gira molt ràpidament, aproximadament 790 vegades per segon.
Formació L'estrella més gran de l'associació de Cygnus OB3 té una massa 40 vegades superior a la del Sol. A mesura que les estrelles més massives evolucionen amb més rapidesa, això implica que l'estrella progenitora Cygnus X-1 tenia més de 40 masses solars. Donada la massa estimada actual del forat negre, l'estrella progenitora hauria perdut més de 30 masses solars de material. Una part d'aquesta massa pot haver estat perduda a HDE 226868, mentre que la resta va ser probablement expulsada per un fort vent estel·lar. L'enriquiment d'heli de l'atmosfera exterior de HDE 226868 pot ser prova d'aquesta transferència massiva. Possiblement, el progenitor hagi evolucionat cap a una estrella de Wolf-Rayet, que expulsa una proporció substancial de la seva atmosfera amb un vent estel·lar igualment important.
Si l'estrella progenitora havia explotat com a supernova, llavors les observacions d'objectes similars demostren que el romanent probablement hauria estat expulsat del sistema a una velocitat relativament alta. A mesura que l'objecte romania en òrbita, això indica que la progenitora podria haver-se col·lapsat directament en un forat negre sense explotar (o com a màxim només va produir una explosió relativament modesta).
Disc d'acreció miniatura|Un espectre de raigs X del Chandra de Cygnus X-1 mostrant un pic característic proper a 6,4 KeV a causa del ferro ionitzat en el disc d'acreció, però el pic és gravitacionalment desplaçat en vermell, ampliat per l'efecte Doppler, i esbiaixat cap a les energies més baixes. L'objecte compacte es pensa que està orbitat per un disc prim i pla de matèria d'acumulació coneguda com a disc d'acreció. Aquest disc s'escalfa intensament per la fricció entre el gas ionitzat en òrbites internes de moviment més ràpid i que en els exteriors més lents. Es divideix en una regió interior calenta amb un nivell relativament alt d'ionització—formant un plasma—i una regió externa més fresca i menys ionitzada que s'estén fins a aproximadament 500 vegades el radi de Schwarzschild, o al voltant de 15.000 km.