A Cygnus X-1 (rövidítve Cyg X-1) egy jól ismert fekete lyuk és röntgenforrás a Hattyú csillagképben.
1964-ben vált ismertté egy szuborbitális űrugrás során végzett mérések alapján, amit egy rakéta hajtott végre. A Cygnus X-1 az egyik legerősebb röntgenforrás, aminek legnagyobb áramlási sűrűsége 2,3×10−23 W/m2/Hz (ez 2,3×103 jansky).
A Cygnus X-1 volt az első olyan röntgenforrás, amiről széles körben elfogadták, hogy fekete lyuk lehet. Ez az egyik legtöbbet tanulmányozott égi objektum ebben a kategóriában.
Az elfogadott tömege 14,8 naptömeg. Túlságosan sűrű ahhoz, hogy közönséges csillag legyen. Eseményhorizontjának sugara kb. 26 km.
A Cygnus X-1 egy nagy tömegű, gammasugárzó kettőscsillag egyik tagja, ami kb. 6070 fényévre van a Földtől. A kettőscsillag másik tagja a HDE 226868 jelű, kék, szuperóriás változócsillag, amely körül 0,2 CsE-re kering a Cygnus X-1. A fekete lyuk anyagot von el a társcsillagától, ezáltal egy akkréciós korong keletkezik.
A korongban áramló anyag több millió fokra hevül és röntgensugárzást hoz létre.
Relativisztikus jetek indulnak ki a korongra merőlegesen, amik a belehulló anyag energiájának egy részét elszállítják a környező űrbe.
A csillag a tömegének nagy részét csillagszél formájában elveszíthette. Ha a csillag akkor fellángolt, mint egy szupernóva, a maradék anyag is kiáramlott a rendszerből. Majd a csillag összeomlott fekete lyukká.
A Cygnus X-1 egy barátságos fogadás tárgya volt Stephen Hawking fizikus és Kip Thorne között 1974-ben, amikor Hawking arra fogadott, hogy a Cygnus X-1 nem fekete lyuk. Hawking a tévedését 1990-ben ismerte el, a megfigyelési adatok alapján.
Felfedezése és megfigyelése A röntgensugárzás megfigyelése lehetővé teszi a csillagászok számára a millió fokos gázok viselkedésének tanulmányozását. Mivel azonban a Föld légköre nem engedi át a röntgensugárzást, ezért az ilyen források megfigyelése csak a légkörön kívül lehetséges. A Cygnus X-1 megfigyelésére első ízben egy rakéta szuborbitális repülése, egy ún. űrugrás során, véletlenül került sor; a rakétát a White Sands Rakétakísérleti Telepről, Új-Mexikóból bocsátották fel.
1964-ben két Aerobee rakétát bocsátottak fel, amik Geiger–Müller-számlálót vittek magukkal, amivel mérni tudták a röntgensugárzás mértékét. Ahogyan a rakéták forogtak, az egész égboltot végigpásztázták. Nyolc új röntgenforrást fedeztek fel, ezek között volt a Cyg XR-1 (későbbi nevén: Cyg X-1) a Hattyú csillagképben.
Riccardo Giacconi és Herb Gursky 1963-ban azt javasolták, hogy műholddal kellene figyelni a röntgenforrásokat. A NASA 1970-ben felbocsátotta az Uhuru nevű űrszondát, ami 300 új röntgenforrást fedezett fel.
Az Uhuru megfigyelései szerint a Cygnus X-1 röntgensugárzásának erőssége másodpercenként többször ingadozik. Ez a gyors változás azt jelenti, hogy az energia előállítása viszonylag kis térrészben, 105 km-en belül történik.
1971 áprilisa, májusa között Luc Braes és George K. Miley, a Leideni obszervatórium munkatársai, és tőlük függetlenül Robert M. Hjellming és Campbell Wade, a National Radio Astronomy Observatory munkatársai rádióhullámok kibocsátását észlelték a Cygnus X-1-ből és a pontos helymeghatározás az AGK2 +35 1910 = HDE 226868 jelzésű csillagra mutatott. Az égbolton ez a csillag nagyjából fél fok távolságra van a negyed fényrendű Eta Cygni-től. Ez egy szuperóriás, de önmagában nem lenne képes a mért adatoknak megfelelő mennyiségű röntgensugárzást kibocsátani. Így kiderült, hogy ennek a csillagnak bizonyosan van egy kísérője, ami képes a környező gázt a röntgensugárzás előállításához szükséges millió fokokra hevíteni (ez a Cygnus X-1).
Louise Webster és Paul Murdin, a Greenwichi Királyi Obszervatórium kutatói, és tőlük függetlenül Charles Thomas Bolton (Torontói Egyetem, David Dunlap Observatory) 1971-ben bejelentették, hogy felfedezték a HDE 226868 nagy tömegű, rejtőzködő társát. A csillag spektruma Doppler-eltolódásának megmérésével ki lehetett számítani a tömeget a pálya adataiból. Az objektum kiszámított nagy tömege azt engedte sejteni, hogy fekete lyuk lehet, mivel neutroncsillagnak nem lehet a Napénál 3x nagyobb tömege.
További megfigyelések 1973 végére megerősítették és a csillagászati közösség elfogadta, hogy a Cygnus X-1 nagy valószínűséggel egy fekete lyuk.
right|thumb|A Cygnus X-1 röntgenképe, ami egy léggömbbel felengedett távcsővel készült a NASA High Energy Replicated Optics (HERO) projektje keretében
A csillagrendszer A kompakt objektum és a kék szuperóriás csillag kettős rendszert alkot. Közös tömegközéppontjuk körül 5,5998 nap alatt keringést végeznek. A Föld irányából nézve a kompakt objektum sohasem kerül a csillag mögé, más szóval nem kerül fedésbe. A keringési sík szögének értéke bizonytalan, 27°–65° közötti becslések vannak rá. A keringési pálya excentricitása mindössze 0,0018, vagyis szinte tökéletes körpályáról van szó. A Földtől való távolság 6100 ± 390 fényév.
A rendszer a 4° galaktikus szélesség, 71° galaktikus hosszúság koordinátákon található, a Napnak is helyt adó Orion-kartól a Tejútrendszer középpontja felé, ahol a spirálkar megközelíti a Carina- és Sagittarius-kart. A Cygnus X-1-et általában úgy jellemzik, mint ami a Sagittarius-karhoz tartozik, bár hozzá kell tenni, hogy a Tejútrendszer térbeli struktúrája még nem eléggé ismert.
A kompakt objektum A kompakt objektum tömegének meghatározása sokáig bizonytalan volt, a becsült értékek a csillagfejlődésből kiszámolt 20±5 naptömegtől a más technikákkal kapott 10 naptömegig terjedtek. A röntgensugárzás periódusának méréséből pontosabb érték adódott, a jelenleg elfogadott érték 14,8±1 naptömeg. Mindegyik esetben fekete lyukról van szó. Az eseményhorizontot meghatározó Schwarzschild sugár 26 km. Ezen a határon belülre kerülő anyag vagy fény nem tud többé távozni a térségből.
Az eseményhorizont létét 1992-ben látványos mérésekkel sikerült igazolni, melynek során a Hubble űrtávcső nagysebességű fotométerének ultraibolya érzékelőivel felfénylő nyalábokat detektáltak, amik a fekete lyuk felé áramló anyag spirális mozgása során keletkeztek. A kisugárzás impulzusok sorozatából áll, amikre hatással van a gravitációs vöröseltolódás. Ennek következménye, hogy az objektumhoz közeledve a sugárzás hullámhossza egyre nő, ahogyan az általános relativitáselmélet előre jelzi. Ha a befelé hulló anyag szilárd felszínbe ütközne, egy végső energiakibocsátásnak kellene bekövetkeznie a becsapódáskor; az eseményhorizont esetén azonban nem. Itt két további felvillanás figyelhető meg, amik szintén a fekete lyuk létét erősítik meg.
thumb|right|A Cygnus X-1 a Chandra űrtávcső felvételén
A Chandra űrtávcső mérései alapján úgy tűnt, mintha a Cygnus X-1 kompakt objektum nem forogna; 2011-es mérések alapján azonban úgy tűnik, hogy extrém gyorsan forog, másodpercenként 790 fordulatot tesz.
Kialakulása A legnagyobb csillag a Cygnus OB3 társulásban a Nap tömegének 40-szeresével rendelkezik. Minthogy a nagyobb tömegű csillagok életciklusa gyorsabb, ez azt jelenti, hogy a Cygnus X-1 őscsillaga is nagyjából ekkora tömeggel rendelkezett, vagyis kialakulása óta 30 naptömeget elveszített. Ennek az anyagmennyiségnek egy része minden bizonnyal társcsillagához, a HDE 226868 csillaghoz áramlott, míg a többi rész az erős csillagszél miatt kisodródott a világűrbe. A HDE 226868 héliumban gazdag külső atmoszférája is erre az anyagáthelyeződésre utal. Az őscsillag Wolf–Rayet-csillaggá válhatott, aminek jellemzője, hogy atmoszférája anyagát a környező űrbe szórja. Ha az ős-csillag szupernóvaként felrobbant volna, a megmaradó anyagmennyiség nagy sebességgel távozott volna a rendszerből (hasonló objektumok megfigyelése alapján). Mivel ez az objektum keringési pályán maradt, ez arra utal, hogy az őscsillag nagyobb robbanás nélkül összeomlott, és közvetlenül fekete lyukká alakult.
Az akkréciós korong right|thumb|A Chandra űrtávcső röntgenfelvételének spektruma, ami 6,4 keV környékén csúcsosodást mutat, ez az akkréciós korongban lévő ionizált vas jelenlétére utal (a csúcs a gravitációs vöröseltolódás miatt eltolódott és a Doppler-effektus miatt kiszélesedett)
Feltételezések szerint a kompakt objektum körül egy viszonylag vékony réteg, egy úgynevezett akkréciós korong kering, ami az objektum felé áramló anyagból áll. A korongot alkotó anyag felhevül a súrlódás miatt, amit az vált ki, hogy az objektumhoz közelebbi ionizált gáz gyorsabban kering a távolabbi részecskéknél. Ez a korongot nagyjából két részre osztja: a belső részt nagy ionizáltságú, forró plazma alkotja, és van egy hűvösebb, kevésbé ionizált külső réteg, ami becslések szerint a Schwarzschild-sugárnál 500-szor nagyobb távolságig terjed, ez ebben a konkrét esetben mintegy km.
Bár a Cygnus X-1 nagy mértékben változó módon viselkedik, ez a legnagyobb, kemény röntgensugárzást kibocsátó forrás, amik energiája 30 keV-tól több száz keV-ig terjed.
A neutroncsillagokhoz hasonló, stabil periódus a Cygnus X-1 esetében nem figyelhető meg.
A röntgensugárzás erőssége periodikusan változik, melynek ciklusideje 5,6 nap. Van egy nagyjából 300 napos periódus is, amit feltehetően az akkréciós korong precessziója okoz.
Relativisztikus anyagsugár Az akkréciós anyag a kompakt objektum felé zuhan, és eközben elveszíti gravitációs potenciális energiáját. A felszabaduló energia egy részét relativisztikus anyagsugarak szállítják el, amik anyagrészecskékből állnak. Ezek sebessége relativisztikus, irányuk merőleges az akkréciós korongra (vagyis a részecskék sebessége jelentősen megközelíti a fénysebességet). A folyamatot valószínűleg a kompakt objektumot körülvevő gáz mágneses terei hozzák létre.
A Cygnus X-1 anyagsugarai nem elég hatékonyak az energia szállításában, ez csak kis hányadot képvisel az elektromágneses spektrumban. Ennek következtében ezek a sugarak a látható tartományban „sötétek”. Becslések szerint ezeknek az anyagsugaraknak a hajlásszöge a mi látóirányunkhoz 30°, és ez precesszálhat.
Az egyik anyagsugár viszonylag sűrű csillagközi anyaggal ütközik, ami által egy gyűrűs alakzat jön létre, ami rádiósugárzást bocsát ki. Az ütközés csillagközi ködöt képez, ami a látható tartományban is észlelhető. A köd létrehozásához 9±5×1029 W teljesítmény szükséges. Ez a Napunk által leadott teljesítmény több mint 1000-szeresének felel meg. Az ellenkező irányban haladó anyagsugár nem kelt ilyen gyűrűt, mert ott a csillagközi anyag ritkább.
2006-ban a Cygnus X-1 lett az első olyan fekete lyuk, ami bizonyítottan gamma-sugárzást bocsát ki a 100 GeV fölötti nagy energiájú tartományban.
A HDE 226868 right|thumb|A HDE 226868–Cygnus X-1 kettős rendszer művészi ábrázolása (ESA/Hubble illusztráció)
A HDE 226868 egy szuperóriás, színképosztálya O9.7 Iab, ami az O és a B osztályú csillagok közé sorolja be. Becsült felszíni hőmérséklete 31 000 K, tömege 20–40-szeres naptömeg. A csillagok fejlődési modellje, és a mintegy 2000 parszekes távolság alapján a csillag sugara a Napénak 15-17-szerese, luminozitása pedig 300 000–400 000-szorosa. Összehasonlításképpen a kompakt objektum a HDE 226868-tól mindössze 40 Nap-sugárnyi távolságban kering.
A HDE 226868 felszíne a nagyobb tömegű kísérő által kifejtett árapályerők által erősen torzított, könnycsepp alakú, amit a tengely körüli forgás még tovább alakít. Ez a látható fényben 0,06 mértékű fényességváltozást okoz 5,6 nap alatt.
Ha a HDE 226868 színképét összehasonlítjuk a hasonló Alnilam (Epsilon Orionis) csillaggal, az előbbi légkörében több a hélium és kevesebb a szén.
A HDE 226868 ultraviola és hidrogén-alfa spektrális vonalai hasonlóságot mutatnak a P Cygni csillagéval, és arra utalnak, hogy a csillagot egy gázfelhő veszi körül, ami 1500 km/s sebességgel távolodik tőle.