天鵝座X-1
位於天鵝座方向的雙星系統
天鵝座X-1（Cygnus X-1，縮寫為Cyg X-1）是一個位於天鵝座方向的雙星系統，最早被認為是黑洞的天體系統之一。它於1964年被發現，是個很強的X射線源。該黑洞從鄰近軌道運行的藍色超級巨恆星中吸取氣體，它向內螺旋式釋放著巨大熱量，噴射出高能量X射線和伽馬射線，是人類發現的第一個黑洞候選天體。它是一顆高質量X射線雙星，其主星是一顆超巨星，光譜型為B0，伴星名為HDE 226868，是一顆8.9等的變星，直徑大約2500萬千米。
在環境許可的情況下，使用小型雙筒望遠鏡可看見天鵝座X-1。根據曆元1950的資料，該天體位於赤經19 h 56.5 min，赤緯35 deg 4 min。
l天鵝座X-1是個雙星系統，由一光譜型O9-BO的超巨星及一顆緻密星組成。超巨星的質量約為20-40倍太陽質量，緻密星則具有太陽的21倍質量。由於中子星的最大質量不多於3倍太陽質量，因此該顆緻密星普遍被認為是黑洞。X射線由雙星系統內的吸積盤產生，在吸積盤內發生康普頓散射，再被反射向外。天鵝座X-1是天空中持續最久的強力X射線源。距離地球約7240光年。
2021年2月19日，國際學術期刊《科學》和《天體物理學報》的三篇文章聯合發布對第一個恆星級黑洞——天鵝座X1的最新精確測量結果。根據該測量結果，此系統包含了一個21倍太陽質量的黑洞，並且其自轉速度極接近光速。這是迄今發現並確認的唯一一個黑洞質量超過20倍太陽質量且自轉如此之快的X射線雙星系統。
天鵝座X1是一個X射線雙星系統，除了包含能夠產生X射線源的緻密星之外，還包含一個藍巨星。自從這個系統在1964年被美國探空火箭首次發現以來，其中緻密天體究竟是黑洞還是中子星的問題一直是高能天體物理研究領域的熱點。對緻密天體究竟是黑洞還是中子星，上世紀70年代，物理學家索恩和霍金還專門打賭，並立下字據。直到上世紀90年代，越來越多的觀測證據表明這個系統中心應該是黑洞，霍金才簽字表示認賭服輸。
儘管霍金已經認輸，然而對於這個系統的性質一直缺乏精確的測量。2011年，苟利軍研究員和合作者就對這顆黑洞的性質首次做了一次精確測量的嘗試。當時得出的結果是：這個黑洞系統與地球的距離為6067光年，質量為14.8倍的太陽質量，並且發現黑洞的視界面在以72%的光速轉動。
2013年，歐洲航空局的蓋亞衛星發射升空，計劃對銀河系內的10億顆恆星的距離進行精確測量，當然也包括天鵝座X1在內的X射線雙星。結果，蓋亞衛星所給出的天鵝座X1的距離要比之前的距離遠一些，大約為7100光年。
2021年2月19日，《科學》雜誌和《天體物理學報》上線的三篇文章聯合發布了對歷史上發現的第一個恆星級黑洞——天鵝座X1的最新精確測量結果。來自澳大利亞、美國和中國的三個團隊分別獨立對黑洞天鵝座X1的距離、質量、自轉及其演化做了最為精確的測量和限制，澳大利亞柯廷大學教授米勒-瓊斯所領導的研究團隊，利用美國的甚長基線干涉陣列，通過三角視差方法對天鵝座X1的距離再次進行測量和確認。團隊把新的觀測數據和之前的觀測數據相結合，同時消除了天鵝座X1的噴流運動所導致的系統誤差效應之後，最終得到了天鵝座X1黑洞的最新距離，這一結果為7240光年，精度達到8%，這個距離和蓋亞衛星給出的距離完全一致。在此基礎之上，合作團隊重新分析光學數據，發現黑洞質量增加了50%，增加到了21倍的太陽質量，精度為10%，這是X射線雙星系統中目前唯一一個主星質量超過20倍太陽質量的黑洞X射線雙星系統。結合新得到的距離和質量的測量結果，中國天文學家領導的研究團隊分析了X射線光譜數據，從而對黑洞的自轉速度進行了精確限制，相比之前的測量結果，發現此次測量的黑洞轉動更加極端，黑洞視界面正在以至少95%的光速自轉，這也是目前已知的唯一一個以如此高速度轉動的黑洞系統。
天鵝座X-1
光譜分類O9.7Iab
B-V色指數+0.81
U-B色指數-0.30
曆元 J2000
星座天鵝座
赤經19h 58m 21.6756s
赤緯+35° 12′ 05.775″
視星等 (V) 8.95
徑向速度 (Rv) -13 km/s
自行 (μ) RA: -3.82 mas/yr
Dec.: -7.62 mas/yr
視差 (π) 0.58 ± 1.01 mas
距離 approx. 6000 ly
通過對X射線源的觀測，天文學家能研究涉及到幾百萬度熾熱氣體的天文現象。但由於X射線被地球的大氣層遮擋了，因此對X射線源的觀測不能在地表進行，而需要將儀器運送到有足夠X射線能穿透的高度。發現天鵝座X-1的儀器是從新墨西哥州白沙導彈靶場由火箭發射到彈道軌道。1964年時正進行一項觀測，目的是找出這些X射線源。兩個空蜂火箭（Aerobee）彈道火箭運載著蓋革計數器升空，測量天空中8.4°範圍內波長從1至15Å的X射線源。
這項觀測發現了8個新的X射線源，包括天鵝座的Cyg XR-1（后名Cyg X-1）。其天球坐標估計為赤經1953、赤緯34.6°。該X射線源處並沒有明顯的無線電或可見光源。
由於需要更長時間的觀測研究，1963年里卡爾多·賈科尼和赫伯特·格斯基提出了首個研究X射線源的軌道衛星。美國國家航空航天局於1970年發射了烏呼魯衛星，進而發現了300個新X射線源。它對天鵝座X-1的長期觀測發現其X光強度有波動，頻率為每秒數次。如此快速的變動顯示，能量一定在很小的範圍內產生，大小約為10公里，因為光速的限制使訊息不可能在更遠的範圍里相互傳遞。作為對比，太陽的直徑約為1.4百萬公里。
1971年4月至5月，萊登天文台的Luc Braes和George Miley與美國國家射電天文台的Robert M. Hjellming和Campbell Wade獨立探測到來自天鵝座X-1的無線電射線，射線源的準確位置指向AGK2+35 1910 = HDE226868。天球上，這顆星與視星等為4級的天鵝座η相距半度。它是一顆超巨星，本身並不能發射所觀測到的X射線。因此，此星必定有一顆能夠將氣體加熱到幾百萬度的伴星，才可放射在天鵝座X-1觀測到的輻射。
皇家格林威治天文台的Louise Webster和Paul Murdin與單獨在多倫多大學大衛·鄧拉普天文台工作的 Charles Thomas Bolton於1971年公布了HDE 226868巨型伴星的發現消息。該星光譜的多普勒效應顯示了其伴星的存在，人們也能根據軌道數據間接地測量其質量。由於該天體質量很高，他們推測它可能是一個黑洞。因為最大的中子星也不可能超過3個太陽質量。
隨著更多觀測證據的發現，到了1973年末，天文學界的普遍結論為天鵝座X-1最大可能為一黑洞。對天鵝座X-1更精確的測量顯示出小至1毫秒的變化。這個間距與黑洞吸積盤物質的亂流相符。持續三分之一秒的X射線爆符合物質掉進黑洞預測所需的時間。
經Hipparcos衛星的精確測量，天鵝座X-1（CygX-1）距離地球大約6000光年，其質量大約是太陽的10倍，直徑約44公里，位於天鵝星座。通過動力學模型以及相對論模型，科學家還測量了黑洞吸積盤的內緣半徑。對於這些研究結果，天鵝X-1雙星系統的研究小組認為：由黑洞質量、軌道傾角以及距離帶來的觀測和模型參數的不確定性問題都將被充分考慮，而由於徑流主導吸積盤的薄盤模型（吸積率低於愛丁頓光度）所帶來的局限性，在諸如低光度天體（低態X射線雙星）即天鵝X-1的具體應用上還需要進一步研究。
至今天鵝座X-1已被多部軌道及地面觀測儀器長期觀測。X射線雙星（如HDE 226868/天鵝座X-1）和活動星系核間有眾多相似之處，顯示它們有共同的運行原理：黑洞、旋轉中的吸積盤和噴流。因此，天鵝座X-1被歸於一類稱為微類星體的雙星系統。對諸如HDE 226868/天鵝座X-1的雙星系統的科學研究能使科學家對活動星系的運動原理有更深入的認知。
2021年10月，中國科學院上海天文台觀測高能天體物理組研究團隊利用硬X射線調製望遠鏡衛星（“慧眼衛星”）在著名黑洞雙星天鵝座X1的軟譜態時探測到88mHz的高能准周期振蕩信號。
當光線自由地穿過時空，它將以任何方向出現偏振。然而，出現偏振的光線意味著光線在特定的狀況下僅以一個方向震動，例如：光線從表面散射或者穿過物質。研究人員使用歐洲宇航局天體物理實驗室（Integral）衛星的Ibis望遠鏡，對天鵝座X-1黑洞進行了7年觀測。他們集中精力分析該黑洞冕環產生的光線，天鵝座X-1黑洞的冕環是一個微小的區域，直徑不足800公里。
之前的研究顯示，黑洞冕環等離子體釋放的X射線加熱至1.2億攝氏度，但是天體物理實驗室衛星從未知來源探測的光線也可達如此高溫。法國原子和替代能源委員會天文學家菲利普-勞倫特（PhilippeLaurent）稱，這項研究首次顯示未知高能量噴射出現強烈的偏振，這暗示著它可能產生於同步加速器輻射，這是強烈磁場接近黑洞表面的跡象。他強調指出，從理論上，人們會認為該區域會存在一個磁場，但目前這是首次掌握到觀測證據。
天鵝座X-1中的緻密星和藍超巨星組成一個雙星系統，以5.599829±0.000016天的周期繞質心公轉。從對天鵝X-1的研究過程中，準確計算出這個雙星系統中X射線源的位置是十分重要的，這個結果將直接導致人類空間觀測史上的第一個黑洞被確認。科學家通過甚長基線陣列測量技術，利用三角視差法將距離值確定在1.86(-0.11,+0.12)千秒差距（kpc），1秒差距約等於3.2光年。而天鵝X-1發出的X射線通量有著明顯的周期性特徵，大約在5.6天就進行一個周期變化，這也證明了當超藍巨星運行到黑洞後面時，兩者之間作用產生的X射線受到前者產生的恆星風阻擋，出現較低的值。
通過進一步的研究，科學家還確定了這個雙星系統是進行順時針旋轉。利用耦合距離和多普勒效應模擬出天鵝X-1雙星系統的三維運動模型。接著對地球以及天鵝X-1圍繞銀河系的相對速度進行修正後，發現其運行速度只有大約21km/s，這表明在這顆藍超巨星與黑洞形成雙星系統時並沒有出現劇烈的反衝效應。
藍超巨星為HDE226868，是一顆8.9等的變星，在環境許可的情況下，使用雙筒望遠鏡可看得見。根據曆元1950的資料，該天體位於赤經19h56.5min，赤緯35deg4min。
基本信息
- 中文名
- 天鵝座X-1
- 外文名
- Cygnus X-1
- 別名
- AG/AGK2+35 1910, BD+34 3815, HIP 98298, SAO 69181, V1357 Cyg
- 發現時間
- 1964年
- 質量
- 20–40M☉
- 直徑
- 40–44R☉
- 視星等
- 8.95等
- 赤經
- 19 h 56.5 min
- 絕對星等
- −6.5 ± 0.2
- 距地距離
- 7240.00光年
- 亮度
- (3–4)×10^5L☉
- 年齡
- 約5×10^6 年
- 分類
- 恆星
- 表面溫度
- 約31,000 K
- 光譜類型
- O9.7Iab
- U−B色指數
- −0.30
- B−V色指數
- +0.81
- 變星類型
- 橢球變星
- 重力
- 3.31 ± 0.07
- 發現者
- 蓋革計數器
- 星座
- 天鵝座