De röntgenbron Cygnus X-1

De röntgenbron Cygnus X-1 is vermoedelijk een zwart gat dat is ontstaan door het ineenstorten van een zware ster ongeveer 5 tot 6 miljoen jaar geleden. Het is één van de sterkste röntgenemissie bronnen die tot nu toe zijn ontdekt en het is de eerste röntgenbron waarvan algemeen wordt aangenomen dat het een zwart gat is.

Cygnus X-1 bevindt zich in het sterrenbeeld Zwaan (Cygnus). De röntgenbron maakt deel uit van een zwaar röntgen dubbelstersysteem dat zich op een afstand van ongeveer 6070 lichtjaar van de Aarde bevindt. Cygnus X-1 werd in 1964 ontdekt en het is één van de meest bestudeerde röntgenobjecten aan de hemel. Het is ook een van de sterkste continue röntgenbronnen die we kennen.

Cygnus X-1
Cygnus X-1 draait om de ster HDE 226868 heen waarbij er materie verdwijnt in het zwarte gat.

Cygnus X-1 heeft een massa van 14,8 zonsmassa en de geringe grootte duidt er op dat het geen gewone ster of een ander object kan zijn maar alleen een zwart gat. Cygnus X-1 heeft een waarnemingshorizon met een sraal van 44 kilometer De waarnemingshorizon is het gebied rond een zwart gat waar het zwaartekrachtsveld groot genoeg is om te voorkomen dat de elektromagnetische straling vanuit het binnenste kan ontsnappen met als resultaat dat alles wat zich voorbij de waarnemingshorizon bevindt er onmogelijk weer uit kan ontsnappen.

Cygnus X-1 draait enorm snel om zijn as. De waarnemingshorizon draait met een snelheid van meer dan 800 keer per seconde en dat komt overeen met bijna de helft van de lichtsnelheid.

De natuurkundigen Kip Thorne en Stephen Hawking hadden in 1974 een vriendschappelijke weddenschap over Cygnux X-1. Hawking wedde dat het object geen zwart gat was. In 1990 moest hij na aanvullende waarnemingen concluderen dat Cygnus X-1 wel degelijk een zwart gat is. Tegenwoordig is men er algemeen van overtuigd ofschoon een directe waarneming niet mogelijk is.

Het röntgen dubbelsysteem bestaat uit het compacte object Cygnus X-1 en een blauwe superreus met de aanduiding HDE 226868 die op een afstand van 0,2 Astronomische Eenheden (ongeveer 20% van de afstand Zon – Aarde) om het zwarte gat heen draait. De ster doet dat met een periode van 5,599829 dagen. Cygnus X-1 en de superreus bedekken elkaar niet. De massa van het zwarte gat wordt geschat op 14,8 zonsmassa en de massa van de blauwe superreus wordt geschat op 19,2 zonsmassa.

De accretieschijf rond de röntgenbron trekt materiaal van de sterrenwind van de superreus aan en verhit dit tot enkele miljoenen graden. Het resulteert in een sterke röntgenemissie en twee jets die een deel van de door het materiaal opgewekte energie weer de ruimte in slingeren.

Cygnus X-1/HDE 226868 maakt mogelijk deel uit van de Cygnus OB3 associatie. Dit is een groep sterren die allemaal met dezelfde beweging door de ruimte bewegen. Als de twee echt deel uitmaken van deze associatie dan zijn ze ongeveer 5 tot 6 miljoen jaar oud en de ster die tot zwart gat in elkaar stortte had dan een massa van meer dan 40 zonsmassa’s. Het grootste lid van de Cygnus OB3 associatie heeft ook een massa van meer dan 40 zonsmassa’s. De voorvader van het zwarte gat heeft vermoedelijk meer dan 30 zonsmassa aan materie verloren waarvan mogelijk een gedeelte bij de blauwe superreus terecht is gekomen omdat deze een verhoogde heliumconcentratie heeft in zijn buitenste lagen die duidt op het uitwisselen van materiaal.

De superreus HDE 226868 is een ster van spectraalklasse O. Deze ster heeft een massa van 20-40 zonsmassa’s en een straal van 15-17 keer die van de Zon. De ter heeft een lichtkracht die 300.000 tot 400.000 keer groter is dan die van de Zon. Ze bevindt zich op een afstand van 6100 lichtjaar van de Aarde. Men neemt aan dat Cygnus X-1 op een afstand van ongeveer 40 zonsstralen om de ster heen draait.

Het oppervlak van de superreus wordt als gevolg van de aantrekkingskracht van Cygnus X-1 vervormd. De vervorming is zó sterk dat de ster de vorm heeft die lijkt op een ei. De ster lijkt op een ei waarvan het smalle puntje naar het zwarte gat toe is gericht. Door deze vervorming is de helderheid van de ster niet constant maar varieert die ongeveer 0,06 magnitude bij iedere omwenteling van het zwarte gat.

Als er zich niet zo veel gas en stof zou bevinden tussen HDE 226868 en ons zonnestelsel dan zou het een ster van magnitude 5 zijn. Je zou geen verrekijker nodig hebben om de ster te kunnen zien.

Zwart gat

Cygnus X-1 is ontdekt met behulp van röntgeninstrumenten aan boord van een sondeerraket die vanaf de lanceerbasis White Sands in New Mexico werd gelanceerd. In 1964 werd er een onderzoek uitgevoerd om röntgenbronnen aan de sterrenhemel in kaart te brengen. Dit werd gedaan met behulp van twee Aerobee raketten die Geigertellers aan boord hadden om de röntgenstraling te kunnen meten. Cygnus X-1 was één van de acht röntgenbronnen die tijdens dit onderzoek werden ontdekt.

Bewijs voor het voorkomen van zwarte gaten – zowel stellaire zwarte gaten zoals Cygnus X-1 als supermassieve zwarte gaten zoals Sagittarius A* die een miljoen maal zwaarder zijn en alleen in het centrum van een sterrenstelsel kunnen voorkomen, is de laatste jaren geleverd maar ten tijde van de ontdekking van Cygnus X-1 was dit nog allemaal hypothetisch. Zwarte gaten kunnen niet direct worden waargenomen en dat betekent dat het lastig is om hun bestaan te bewijzen. Het sterkste bewijs wordt geleverd door binaire röntgenbronnen zoals Cygnus X-1/HDE 226868 of V404 Cygni waarbij een ster kan worden waargenomen die een zware maar onzichtbare begeleider heeft.

In 1970 lanceerde de NASA de Uhuru-satelliet. Deze satelliet ontdekte 300 nieuwe röntgenbronnen en leverde nieuwe informatie over Cygnus X-1 op. De waarnemingen van de Uhuru-satelliet toonden variaties in de intensiteit van de röntgenstraling die verschillende keren per seconde veranderde. Hieruit kon worden afgeleid dat de energie werd opgewekt in een gebied met een doorsnede van ongeveer 105 kilometer hetgeen relatief klein is.

In april en mei 1971 werd de röntgenbron gelokaliseerd met de ster HDE 226868. Dit werd gedaan door astronomen van de Universiteit van Leiden en het National Radio Astronomy Observatory die onafhankelijk van elkaar waarnemingen hadden verricht. De ster HDE 226868 bevindt zich ongeveer een halve graad van Eta Cygni. De ster is niet in staat om dergelijke grote hoeveelheden röntgenstraling uit te zenden en dat leidde tot de suggestie van de wetenschappers dat er een begeleider moest zijn die in staat was om gas tot extreme temperaturen te verhitten dat het röntgenlicht gaat uitzenden.

De massieve onzichtbare begeleider van de ster werd in hetzelfde jaar ontdekt door astronomen van het Royal Greenwich Observatory en het David Dunlop Observatory van de Universiteit van Toronto. De begeleider werd ontdekt door de Dopplerverschuiving te meten in het spectrum van de superreus. Uitgaande van de geschatte baan parameters zou de massa van de begeleider extreem hoog moeten zijn. Het zou moeten gaan om een zwart gat want het alternatief, een neutronenster, kan niet zwaarder zijn dan drie zonsmassa’s. De aangetroffen begeleider was echter veel zwaarder. De definitie over een neutronenster zegt o.a. dat die nooit zwaarder kan zijn dan drie zonsmassa’s. Daarnaast vertonen neutronensterren met een vast patroon pulsaties en deze zijn nooit waargenomen bij Cygnus X-1. Daarnaast laten metingen zien dat Cygnus X-1 zich ten opzichte van ons sterrenstelsel erg langzaam beweegt, dit duidt er op dat het object niet tijdens een supernova explosie is ontstaan want dan had het zich met een veel grotere snelheid door ons sterrenstelsel bewogen. De oorspronkelijke ster is in zijn baan gebleven, bij een supernova explosie das het object vermoedelijk met hoge snelheid weggeschoten uit het dubbelstersysteem. Omdat het object in zijn oorspronkelijke baan bleef is het vermoedelijk direct ineengestort tot een zwart gat of is er geen grote explosie geweest. Eind 1973 werd Cygnus X-1, na aanvullende waarnemingen, officieel geaccepteerd als een zwart gat.

In 1992 werd door de High Speed Photometer aan boord van de Hubble Space Telescope vermoedelijk het bewijs geleverd voor een waarnemingshorizon rond Cygnus X-1. Er werden toen twee uitbarstingen energie waargenomen die ontstonden toen materie de waarnemingshorizon passeerde.

In 2006 werd Cygnus X-1 de eerste kandidaat van een stellair zwart gat dat gammastraling in de hoge energie niveaus laat zien.

Gegevens Cygnus X-1

  • Sterrenbeeld: Cygnus, Zwaan
  • Spectraalklasse: O9,7Iab
  • Visuele helderheid: magnitude 8,95
  • Absolute helderheid: magnitude -6,5 ± 0,2
  • Massa: 14-16 zonsmassa’s
  • Straal: 20-22 zonsstralen
  • Temperatuur: 31.000 Kelvin
  • Leeftijd: 5 miljoen jaar
  • Afstand: 6100 ± 400 lichtjaar
  • Aanduidingen: Cygnus X-1, Cyg X-1, V1357 Cyg, SAO 69181, HIP 98298, HD(E) 226868.

Locatie

Cygnus X-1 bevindt zich in de buurt van de heldere ster Eta Cygni. Zie onderstaande afbeelding voor een kaart. Klik op de afbeelding voor kaartjes op volledige grootte.

Het sterrenbeeld Zwaan - Cygnus
kaart van het sterrenbeeld Zwaan – Cygnus met de ster Eta Cygni waar de röntgenbron zich vlak bij bevindt.
Locatie Cygnus X-1
De locatie van Cygnus X-1/HDE 226868 in de buurt van de ster Eta Cygni

Laatste wijziging: 10 augustus 2015