Als in den frühen 1960er-Jahren Röntgendetektoren über die Erdatmosphäre gebracht wurden, tauchte am Himmel eine ungewöhnlich starke Quelle auf. Sie lag im Sternbild Schwan und erhielt den Namen Cygnus X-1. Damals war noch keineswegs sicher, was sich dort verbarg. Schwarze Löcher waren vor allem Gegenstand theoretischer Physik. Cygnus X-1 sollte jedoch zu dem Objekt werden, an dem sich erstmals besonders überzeugend zeigen ließ, dass Schwarze Löcher tatsächlich in der Natur existieren.

Heute wissen wir, dass Cygnus X-1 kein einzelnes Objekt ist, sondern ein Doppelsternsystem. Ein massereicher blauer Überriese und ein Schwarzes Loch umkreisen sich innerhalb von nur etwa 5,6 Tagen. Das Schwarze Loch besitzt nach modernen Messungen ungefähr 21 Sonnenmassen und gehört damit zur Klasse der stellaren Schwarzen Löcher. Anders als die Millionen oder Milliarden Sonnenmassen schweren Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien entstand es wahrscheinlich beim Tod eines sehr massereichen Sterns.

Wo befindet sich Cygnus X-1?

Cygnus X-1 liegt in der Milchstraße in Richtung des Sternbildes Schwan. Neue präzise Radio-Messungen ergaben eine Entfernung von rund 2,2 Kiloparsec, also ungefähr 7.200 Lichtjahren. Frühere Werte lagen zum Teil deutlich darunter, weshalb in älteren Veröffentlichungen noch Entfernungen von etwa 6.000 Lichtjahren zu finden sind. Die genauere Entfernungsmessung war entscheidend, denn von ihr hängen auch die Berechnungen der Masse des Schwarzen Lochs und seines Begleitsterns ab.

Das System besteht aus dem Schwarzen Loch und dem massereichen Stern HDE 226868. Dieser heiße blaue Überriese verliert fortlaufend Material durch einen starken Sternwind. Ein Teil dieses Gases gerät unter den gravitativen Einfluss des Schwarzen Lochs. Dadurch wird Cygnus X-1 zu einer der auffälligsten Röntgenquellen unserer Galaxie.

Das Schwarze Loch selbst sehen wir dabei nicht. Sichtbar wird vielmehr das Geschehen unmittelbar um es herum.

Wie wurde Cygnus X-1 entdeckt?

Cygnus X-1 wurde während der frühen Ära der Röntgenastronomie entdeckt. Röntgenstrahlung aus dem Weltraum erreicht die Erdoberfläche kaum, weil sie von der Atmosphäre absorbiert wird. Erst Instrumente auf Höhenforschungsraketen und später Satelliten eröffneten Astronomen diesen völlig neuen Blick auf den Himmel.

Dabei stellte sich heraus, dass Cygnus X-1 außergewöhnlich intensiv im Röntgenbereich strahlt. Die Position der Quelle konnte schließlich mit dem sichtbaren Stern HDE 226868 in Verbindung gebracht werden. Doch das sichtbare Objekt allein konnte die beobachtete Strahlung nicht erklären.

Spektroskopische Untersuchungen zeigten, dass sich der Stern regelmäßig auf die Erde zu und anschließend wieder von ihr fort bewegt. Er musste also einen unsichtbaren Begleiter besitzen. Aus der Umlaufbewegung ließ sich bestimmen, dass dieser Begleiter zu massereich war, um ein gewöhnlicher Stern oder ein Neutronenstern zu sein.

Damit entstand ein außergewöhnlich überzeugender Kandidat für ein Schwarzes Loch. Cygnus X-1 gilt heute als das erste Objekt, dessen Identifizierung als Schwarzes Loch durch dynamische Beobachtungen überzeugend etabliert wurde.

Wie schwer ist das Schwarze Loch Cygnus X-1?

Lange Zeit wurde seine Masse auf ungefähr 15 Sonnenmassen geschätzt. 2021 führte jedoch eine verbesserte Entfernungsmessung zu einer erheblichen Korrektur.

Ein internationales Forschungsteam beobachtete Cygnus X-1 mit dem Very Long Baseline Array und bestimmte seine Entfernung durch Parallaxenmessungen wesentlich genauer. Daraus ergab sich für das Schwarze Loch eine Masse von etwa 21,2 Sonnenmassen mit einer Unsicherheit von rund 2,2 Sonnenmassen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war dies überraschend hoch für ein auf diese Weise bekanntes stellares Schwarzes Loch in der Milchstraße.

Die neue Messung hatte Folgen weit über Cygnus X-1 hinaus. Ein Schwarzes Loch dieser Masse bedeutet, dass sein Vorläuferstern während seines Lebens weniger Masse durch Sternwinde verloren haben dürfte, als bestimmte Modelle zuvor erwarten ließen. Die Untersuchung half deshalb auch dabei, Modelle der Entwicklung besonders massereicher Sterne zu überprüfen.

Trotz seiner 21 Sonnenmassen wäre das Schwarze Loch selbst verblüffend klein. Für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch dieser Masse läge der Durchmesser des Ereignishorizonts nur in einer Größenordnung von gut hundert Kilometern. NASA-Visualisierungen geben für Cygnus X-1 etwa 124 Kilometer an.

Wie entsteht die Röntgenstrahlung von Cygnus X-1?

Das Schwarze Loch strahlt nicht direkt. Die intensive Röntgenstrahlung entsteht durch Materie in seiner unmittelbaren Umgebung.

Der blaue Überriese HDE 226868 stößt einen starken Strom aus Gas aus. Ein Teil dieses Sternwinds wird vom Schwarzen Loch eingefangen. Das Material besitzt jedoch eine eigene Bewegung und fällt nicht einfach senkrecht hinein. Es sammelt sich in einer rotierenden Struktur und wird auf dem Weg nach innen immer stärker erhitzt.

In der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs entstehen dadurch Temperaturen und Energien, bei denen intensive Röntgenstrahlung freigesetzt wird. Gerade deshalb lassen sich stellare Schwarze Löcher häufig in Doppelsternsystemen entdecken: Ohne einen Begleiter, von dem sie Materie erhalten, können sie nahezu vollständig dunkel bleiben.

Cygnus X-1 zeigt außerdem verschiedene sogenannte Röntgenzustände. Im sogenannten harten Zustand stammt ein großer Teil der beobachteten Energie aus sehr hochenergetischer Strahlung und das System besitzt einen ausgeprägten Radiojet. In anderen Zuständen verändert sich die Struktur des einfallenden Materials und damit auch das beobachtete Spektrum. Diese Wechsel machen Cygnus X-1 zu einem wichtigen Labor für die Untersuchung von Akkretion.

Wie schnell dreht sich Cygnus X-1?

Eine besonders bemerkenswerte Eigenschaft von Cygnus X-1 ist seine Rotation. Verschiedene Untersuchungen des Röntgenspektrums deuten darauf hin, dass das Schwarze Loch außergewöhnlich schnell rotiert.

Bei Schwarzen Löchern wird die Rotation häufig mit einem dimensionslosen Spin-Parameter beschrieben. Ein Wert nahe null entspricht einem nicht rotierenden Schwarzen Loch, während ein Wert nahe eins eine sehr schnelle Rotation kennzeichnet. Untersuchungen von Cygnus X-1 ergaben Werte größer als etwa 0,95 und in späteren Analysen sogar eine untere Grenze von ungefähr 0,983 innerhalb der verwendeten Modelle. Damit gehört Cygnus X-1 zu den Schwarzen Löchern, für die eine extrem schnelle Rotation abgeleitet wurde.

Diese Messung ist allerdings modellabhängig. Sie setzt unter anderem Annahmen über die Geometrie der Akkretionsscheibe, die Entfernung, die Masse und die Orientierung des Systems voraus. Die Aussage, dass Cygnus X-1 sehr schnell rotiert, ist gut begründet; eine vermeintlich absolut exakte Rotationsgeschwindigkeit wäre dagegen nicht angemessen.

Interessant ist auch die Frage, wie das Schwarze Loch überhaupt zu diesem hohen Spin kam. Untersuchungen legen nahe, dass die heutige Materieaufnahme allein möglicherweise nicht ausgereicht hat, um es so stark zu beschleunigen. Ein großer Teil seiner Rotation könnte daher bereits bei seiner Entstehung oder während der Entwicklung seines Vorläufersterns entstanden sein.

Wie entstand das Schwarze Loch Cygnus X-1?

Schwarze Löcher dieser Größenordnung entstehen wahrscheinlich aus massereichen Sternen, deren Kerne am Ende ihres Lebens unter der eigenen Gravitation kollabieren. Bei Cygnus X-1 gibt es jedoch Hinweise darauf, dass dieser Vorgang möglicherweise anders verlief als bei einer besonders energiereichen Supernova.

Das System besitzt im Vergleich zu seiner möglichen Geburtsregion keine außergewöhnlich hohe Bewegungsgeschwindigkeit. Das spricht dafür, dass die Entstehung des Schwarzen Lochs keinen extrem starken Rückstoß verursachte. Eine Möglichkeit besteht darin, dass ein großer Teil des Vorläufersterns relativ direkt zu einem Schwarzen Loch kollabierte oder dass die begleitende Explosion vergleichsweise schwach war.

Die genaue Entwicklung des Systems lässt sich allerdings nicht rückwirkend vollständig beobachten. Aussagen über den Entstehungsmechanismus beruhen daher auf der heutigen Masse, Bewegung, chemischen Zusammensetzung und den Eigenschaften des Doppelsternsystems sowie auf Modellen der Sternentwicklung.

Verschlingt Cygnus X-1 seinen Begleitstern?

Die populäre Vorstellung eines Schwarzen Lochs, das einen Stern wie ein kosmischer Staubsauger verschlingt, beschreibt Cygnus X-1 nur unzureichend.

Der Begleitstern verliert ohnehin große Mengen Gas über seinen Sternwind. Das Schwarze Loch fängt einen Teil davon ein. Der Stern wird also nicht einfach vollständig auseinandergerissen und verschwindet auch nicht kurzfristig im Schwarzen Loch. Beide Objekte befinden sich zunächst in einer stabilen Umlaufbewegung umeinander.

Ihre Entfernung voneinander ist astronomisch betrachtet allerdings gering. Ein Umlauf dauert nur etwa 5,6 Tage. Dadurch kann das Schwarze Loch ständig Materie aus dem dichten Wind seines Begleiters aufnehmen.

Langfristig wird sich das System verändern, weil auch der massereiche Begleitstern sein Leben nicht unbegrenzt fortsetzen kann. Seine weitere Entwicklung hängt von Masseverlust, innerer Sternentwicklung und der Wechselwirkung im Doppelsternsystem ab. Welche Endkonfiguration daraus genau entsteht, lässt sich nicht mit absoluter Sicherheit vorhersagen.

Besitzt Cygnus X-1 Jets?

Cygnus X-1 schleudert zusätzlich einen Teil der Energie und Materie seiner unmittelbaren Umgebung in gebündelten Jets hinaus. Dabei handelt es sich um Plasmaausströmungen, die entlang der Umgebung der Rotationsachse des inneren Systems entstehen. Das Material stammt nicht aus dem Inneren des Schwarzen Lochs, sondern aus Regionen außerhalb des Ereignishorizonts.

Neue Ergebnisse aus dem Jahr 2026 haben diese Jets besonders detailliert sichtbar gemacht. Forscher werteten hochauflösende Radioaufnahmen über einen Beobachtungszeitraum von insgesamt 18 Jahren aus. Sie konnten zeigen, dass die Jets durch den starken Sternwind des blauen Überriesen abgelenkt werden. Während Schwarzes Loch und Stern einander umkreisen, ändert sich dadurch scheinbar die Richtung der Ausströmung – ein Effekt, der anschaulich als „tanzender“ Jet beschrieben wurde.

Aus der Stärke dieser Ablenkung ließ sich erstmals die momentane Jetleistung auf eine neue Weise bestimmen. Die bevorzugte Modellierung ergab eine Leistung in der Größenordnung von 10³⁷ Erg pro Sekunde, vergleichbar mit der Strahlungsleistung von etwa 10.000 Sonnen. Zudem ergaben die Untersuchungen eine Jetgeschwindigkeit von ungefähr 150.000 Kilometern pro Sekunde, also etwa der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit.

Besonders wichtig ist das Verhältnis zwischen der einfallenden Materie und dem Jet: Die Ergebnisse unterstützen die häufig verwendete Annahme, dass in solchen Systemen eine Größenordnung von etwa zehn Prozent der verfügbaren Akkretionsenergie über Jets an die Umgebung abgegeben werden kann. Das ist nicht nur für Cygnus X-1 interessant, sondern auch für Modelle wesentlich größerer Schwarzer Löcher.

Warum ist Cygnus X-1 für die Forschung so wichtig?

Cygnus X-1 gehört seit mehr als sechs Jahrzehnten zu den wichtigsten natürlichen Laboren der Schwarzen-Loch-Astronomie. Es ist nah genug, um mit einer Vielzahl von Instrumenten detailliert untersucht zu werden, und gleichzeitig aktiv genug, um Prozesse sichtbar zu machen, die unmittelbar mit einem Schwarzen Loch verbunden sind.

An diesem System können Forscher verfolgen, wie Materie von einem Stern auf ein Schwarzes Loch übertragen wird, wie sich dabei eine heiße Akkretionsströmung bildet, wie Röntgenstrahlung entsteht und wie Energie in Jets umgewandelt wird. Die außergewöhnlich schnelle Rotation eröffnet zusätzlich die Möglichkeit, Modelle der Raumzeit unmittelbar außerhalb eines stellaren Schwarzen Lochs zu testen.

Cygnus X-1 verbindet außerdem verschiedene Größenordnungen der Astronomie miteinander. Die grundlegenden Prozesse der Materieaufnahme und Jetbildung treten auch bei supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien auf. Ein stellares Schwarzes Loch reagiert jedoch wesentlich schneller auf Veränderungen. Prozesse, die bei einem galaktischen Schwarzen Loch Jahre oder wesentlich länger benötigen könnten, können hier auf deutlich kürzeren Zeitskalen verfolgt werden.

Ist Cygnus X-1 gefährlich für die Erde?

Von Cygnus X-1 geht keine Gefahr für die Erde aus. Das System befindet sich mehr als 7.000 Lichtjahre entfernt. Seine Gravitation hat keinerlei bedeutsamen Einfluss auf unser Sonnensystem.

Auch seine intensive Röntgenstrahlung und seine Jets stellen in dieser Entfernung keine Bedrohung dar. Cygnus X-1 gehört zwar zu den hellsten kosmischen Röntgenquellen am Himmel, doch die Strahlung verteilt sich auf ihrem langen Weg durch den Raum.

Das Schwarze Loch bewegt sich zudem nicht auf die Erde zu, um irgendwann unser Sonnensystem zu verschlingen. Schwarze Löcher ziehen Objekte auf große Entfernungen nicht anders an als andere Körper derselben Masse.

Was wissen wir heute sicher über Cygnus X-1?

Dass Cygnus X-1 ein Doppelsternsystem mit einem stellaren Schwarzen Loch ist, gehört zu den gesicherten Erkenntnissen der Astronomie. Seine Masse liegt nach den präzisen Messungen von 2021 bei ungefähr 21 Sonnenmassen. Es umkreist gemeinsam mit einem massereichen blauen Überriesen den gemeinsamen Schwerpunkt des Systems, nimmt Material aus dessen Sternwind auf und erzeugt dabei starke Röntgenstrahlung.

Sehr gute Hinweise sprechen außerdem für eine außergewöhnlich schnelle Rotation des Schwarzen Lochs. Seine Jets sind inzwischen über viele Jahre hinweg im Radiobereich verfolgt worden, und die 2026 veröffentlichte Analyse ihrer Ablenkung durch den Sternwind liefert erstmals eine direkte Möglichkeit, ihre momentane Leistung zu bestimmen.

Offen bleiben dennoch wichtige Fragen. Die genaue Entstehungsgeschichte des Schwarzen Lochs lässt sich nur rekonstruieren. Auch die komplizierte Verbindung zwischen Akkretionsströmung, Magnetfeldern, Rotation und Jetbildung ist noch nicht vollständig verstanden.

Gerade deshalb hat Cygnus X-1 seinen wissenschaftlichen Stellenwert nicht verloren. Vor mehr als sechs Jahrzehnten war es eine rätselhafte Röntgenquelle am Himmel. Dann wurde es zum entscheidenden Beweisstück dafür, dass stellare Schwarze Löcher tatsächlich existieren. Heute ermöglicht dasselbe System Untersuchungen darüber, wie solche Schwarzen Löcher wachsen, rotieren und einen Teil der Energie ihrer Umgebung mit nahezu halber Lichtgeschwindigkeit wieder ins All hinaustragen.

Quellen
▪︎ Miller-Jones et al. – Cygnus X-1 contains a 21-solar-mass black hole: Implications for massive star winds, Science
▪︎ Gou et al. – The Extreme Spin of the Black Hole in Cygnus X-1, The Astrophysical Journal
▪︎ Gou et al. – Confirmation Via the Continuum-Fitting Method that the Spin of the Black Hole in Cygnus X-1 is Extreme, The Astrophysical Journal
▪︎ NASA Goddard Space Flight Center – Beobachtungsdaten und Größenangaben zu Cygnus X-1
▪︎ ESA INTEGRAL – Beobachtungen des Röntgendoppelsternsystems Cygnus X-1
▪︎ Prabu et al. – A jet bent by a stellar wind in the black hole X-ray binary Cygnus X-1, Nature Astronomy, 2026
▪︎ University of Oxford / Curtin Institute of Radio Astronomy – Untersuchungen der Jetleistung von Cygnus X-1, 2026