thumb|right|300px|Representação artística do sistema Cygnus X-1 O sistema estelar Cygnus X-1 (abreviado Cyg X-1) é uma fonte de raio-X galáctica bem conhecida na constelação de Cisne. Foi descoberto em 1964 durante um lançamento de foguete e é uma das fontes de raio-X mais fortes vistas da Terra, produzindo um pico de fluxo de raio-X de 2,3 Wm−2Hz−1. Cygnus X-1 foi a primeira fonte de raio-X que foi aceita como sendo um candidato a buraco negro e pertence entre os objetos astronômicos mais estudados em sua classe. Estima-se que tenha uma massa de 8,7 vezes a massa solar e já se mostrou ser muito compacto para ser qualquer tipo de estrela normal ou outro objeto (por exemplo uma estrela de neutrons) além de um buraco negro. Se for este o caso, o raio do seu horizonte de eventos provavelmente tem 26 km.
Cygnus X-1 pertence a um sistema binária massiva de raio-X cerca de 6000 anos luz do Sol que inclui uma estrela variável supergigante azul chamada HDE 226868 que orbita a cerca de 0,2 UA, ou 20% da distância da Terra ao Sol. Um vento estelar da estrela fornece material para um disco de acreção em torno da origem de raio-X. A matéria no disco interno é aquecida a milhões de kelvin (K), gerando os raios-X observados. Um par de jatos, perpendiculares ao disco, arremessam parte do material que está caindo para o espaço interestelar.
Este sistema pode pertencer a uma associação estelar chamada Cygnus OB3, o que pode significa que Cygnus X-1 tenha cerca de 5 milhões de anos de idade e tenha se formado a partir de uma estrela progenitora que possuía mais de 40 massas solares. A maior parte da massa estelar foi perdida, provavelmente como vento estelar. Se esta estrela tivesse explodido como uma supernova, a força resultante provavelmente teria ejetado o resto do sistema. Portanto, a estrela pode ter provavelmente colapsado diretamente em um buraco negro.
Cygnus X-1 foi motivo de uma aposta científica amigável entre Stephen Hawking e Kip Thorne em 1974, com Hawking apostando que não se tratava de um buraco negro. Ele reconheceu que perdeu a aposta em 1990, depois de os dados observacionais fortalecerem a hipótese de haver uma singularidade gravitacional no sistema.
Descoberta e observação A observação de emissões de raio-X permite que os astrônomos estudem fenômenos celestiais envolvendo gás com temperaturas na ordem de milhões de kelvin. Entretanto, como as emissões de raio-X são bloqueadas pela atmosfera da Terra, a observação de fontes de raio-X celestes não é possível sem levar os instrumentos a altitudes onde os raios-X podem penetrar. Cygnus X-1 foi descoberto usando instrumentos de raio-X carregados por um foguete lançado em White Sands Missile Range no Novo México. Como parte de um projeto para mapear estas fontes, uma pesquisa foi conduzida em 1964 usando dois foguetes suborbitais Aerobee. Os foguetes carregavam contadores Geiger para medir a emissão em raio-X nos comprimentos de onda de 1–15 Å em uma seção de 8.4° do céu. Estes instrumentos examinaram o céu à medida que os foguetes giravam, produzindo um mapa de escaneamentos próximos.
Como resultado destas pesquisas, oito novas fontes de raios-X cósmicos foram descobertas, incluindo Cyg XR-1 (mais tarde renomeada para Cyg X-1) na constelação Cygnus. As coordenadas celestes desta fonte foram estimadas como sendo a ascensão reta 19h53m e declinação 34.6°. Não foi associada com nenhuma fonte proeminente de rádio ou luz naquela posição.
Percebendo a necessidade de estudos mais prolongados, em 1963 Riccardo Giacconi e Herb Gursky propuseram o primeiro satélite orbital para estudar fontes de raios-X. Em 1970, a Nasa lançou seu satélite Uhuru, que levou à descoberta de mais 300 novas fontes de raios-X. Observações estendidas e Cygnus X-1 pelo satélite Uhuru mostraram flutuações na intensidade do raio-X que ocorriam várias vezes por segundo. Esta variação rápida significava que a geração de energia deveria acontecer em uma região relativamente pequena de cerca de 105 km,Esta é a distância que a luz pode viajar em um terço de segundo. já que a velocidade da luz restringe a comunicação entre regiões mais distante. Para uma comparação de tamanho, o diâmetro do Sol é de cerca de 1.4 km.
Em abril-maio de 1971, Luc Braes e George Miley, do Observatório Leiden, e de forma independente Robert M. Hjellming e Charles M. Wade, no National Radio Astronomy Observatory, detectaram emissões de rádio de Cygnus X-1, e o preciso posicionamento de rádio apontou que a fonte de raios-X como sendo a estrela AGK2 +35 1910 = HDE 226868. Na esfera celeste, esta estrela está a cerca de meio grau da estrela de 4ª magnitude Eta Cygni. Trata-se de uma estrela supergigante que é, por si mesma, incapaz de emitir as quantidades de raios-X observadas. Portanto, a estrela deve ter uma companheira que pode aquecer gases a temperatura de milhões de graus necessária para produzir a fonte de radiação de Cygnus X-1.
right|thumb|Esta imagem em raio-X de Cygnus X-1 foi feita por um telescópio alçado por balão, do projeto High Energy Replicated Optics (HERO). Imagem da NASA.
Louise Webster e Paul Murdin, no Observatório de Greenwich, e Charles Thomas Bolton, trabalhando de forma independente no Observatório David Dunlap, da Universidade de Toronto, anunciaram a descoberta de uma companheira oculta massiva a HDE 226868 em 1971. Medidas do efeito Doppler do espectro da estrela demonstraram a presença da companheira e permitiram a estimativa de sua massa a partir de parâmetros orbitais. Basedo na enorme massa predita para o objeto, eles concluíram que pode ser um buraco negro já que a maior estrela de nêutrons possíveis não pode exceder três vezes a massa do Sol.
Observações posteriores fortaleceram a evidência, no fim de 1973 a comunidade astronômica em geral aceitou que Cygnus X-1 provavelmente era um buraco negro. Medições mais precisas de Cygnus X-1 demonstraram variações até o milissegundo. Este intervalo é consistente com a turbulência em um disco de matéria em torno de um buraco negro—o disco de acreção. Disparos de raio-X que duram cerca de um terço de segundo estão de acordo com o intervalo de tempo esperado da matéria caindo em direção ao buraco negro.
Desde então Cygnus X-1 tem sido estudado extensivamente usando instrumentos em órbita e no solo. As similaridades entre as emissões de binárias de raio-X como HDE 226868/Cygnus X-1 e nuclei galácticos ativos sugerem um mecanismo comum de geração de energia envolvendo um buraco negro, um disco de acreção orbitando o mesmo e os jatos associados. Por este motivo, Cygnus X-1 está identificado em uma classe de objetos chamados microquasares; uma analogia dos quasares, ou fontes de rádio quasi-estelares, que agora já se sabe serem nuclei galácticos ativos distantes. Estudos científicos de sistemas binários como HDE 226868/Cygnus X-1 podem levar a um maior entendimento da mecânica de galáxias ativas.
Sistema estelar O objeto compacto e a estrela azul supergigante formam um sistema binário que orbita em torno de seu centro de massa a cada 5,599829 ± 0,000016 dias. Da perspectiva da Terra, o objeto compacto nunca fica atrás da outra estrela; em outras palavras, o sistema não eclipsa. Entretanto, a inclinação do plano orbital em relação ao ponto de vista da Terra permanece desconhecido, com predições variando entre 27-65º. Um estudo de 2007 estimou que a inclinação é de 48,0 ± 6,8°, o que pode significar que o semieixo maior é de cerca de 0,2 UA, ou 20% da distância da Terra ao Sol. Acredita-se que a excentricidade orbital seja de 0,06 ± 0,01; uma órbita quase circular. A distância da Terra a este sistema é de cerca de 2.000 parsecs (6.000 anos-luz), conforme medido pelo satélite Hipparcos, mas este valor tem um grau de incerteza relativamente grande
O sistema HDe 226868/Cygnus X-1 compartilha um movimento no espaço comum com uma associação de estrelas massivas chamadas Cyugnus) B3, que está localizada a cerca de 2.000 parsecs do Sol. Isto implica que a HDE 226868, Cygnus X-1 e sua associação OB pode ter se formado ao mesmo tempo e no mesmo local. Se for este o caso, então a idade do sistema é de cerca de 5 ± 1,5 milhões de anos. O movimento de HDE 226868 com respeito a Cygnus OB3 é 9 ± 3 km/s; um valor típico para movimento aleatório em uma associação estelar. HDE 226868 está a cerca de 60 parsecs do centro da associação, e pode ter atingido esta separação em cerca de 7 ± 2 milhões de anos-o que concorda com a idade estimada da associação.
Com uma latitude galáctica de 3 graus e longitude galáctica de 71 graus, este sistema está no mesmo Braço de Órion em que o Sol está localizado dentro da Via Láctea, próximo de onde este encontra o Braço de Sagitário. Cygnus X-1 tem sido descrito como pertencente ao Braço de Sagitário, mas a estrutura da Via Láctea ainda não está bem estabelecida.
Objeto compacto Existe alguma incerteza sobre a massa do objeto compacto. Modelos de evolução estelar sugerem uma massa de 20 ± 5 massas solares, Note: for radius and luminosity, see Table 1 with d=2 kpc. enquanto outras técnicas resultaram em 10 massas solares. A medição da periodicidade das emissões de raio-X em torno do objeto deram um valor mais preciso de 8,7 ± 0,8 massas solares. Em todos os casos, o objeto é muito provavelmente um buraco negro. Um buraco negro é uma região do espaço com um campo gravitacional tão forte que impede que a radiação eletromagnética escape do seu interior. O limite desta região é chamada de horizonte de eventos e a superfície está a uma distância do centro chamada de raio de Schwarzschild, que é de cerca de 26 km para Cygnus X-1. Qualquer coisa (incluindo matéria e fótons) que passar por este limite é incapaz de escapar.
Há evidências de 1992 de um horizonte de eventos deste tipo detectado usando observações ultravioleta (UV) com o High Speed Photometer no telescópio espacial Hubble. À medida que porções de matéria luminescentes se movem em espiral em torno e em direção do buraco negro, a radiação será emitida em uma série de pulsos que estão sujeitos a um desvio gravitacional para o vermelho conforme o material se aproxima do horizonte. Ou seja, os comprimentos de onda da radiação irão crescer, conforme previsto pela Relatividade Geral. Quando a matéria atinje o objeto sólido e compato ela emite um pulso final de energia, que o material que passa por um horizonte de eventos não faz. Dois destes "trens de pulso moribundos" foram observados, o que é consistente com a exist~encia de um buraco negro.
O observatório espacial de raios-X Chandra foi usado para medir a assinatura espectral dos átomos de ferro orbitando próximos ao objeto. Um buraco negro que apresente rotação arrasta o espaço em seu entorno, o que permite que os átomos orbitem mais próximo ao horizonte de eventos. No caso de Cygnus X-1, nenhum dos átomos foi encontrado orbitando mais próximo que 160 km. Portanto, se este objeto for um buraco negro, então seus dados mostram que ele não está girando em nenhum grau significativo.
Formação A maior estrela na associação Cygnus OB3 possui uma massa equivalente a 40 vezes a massa do Sol. Como as estrelas mais massivas evoluem mais rapidamente, isto implica que a estrela progenitora de Cygnus X-1 possuía mais de 40 massas solares. Dada a massa estimada atual para o buraco negro, a estrela progenitora deve ter perdida mais de 30 massas solares de material. Parte desta massa pode ter sido perdida par HDE 226868, enquanto o restant muito rovavelmente foi expelida por um forte vento solar. O enriquecimento de hélio na atmosfera exterior de HDE 226868 pode ser a evidência desta transferência de massa. Possivelmente a estrela progenitora pode ter evoluído para uma estrela Wolf-Rayet, que ejeta uma proporção substancial de sua atmosfera usando um poderoso vento estelar.