Cygnus X-1 21 –

James C.A. Miller-Jones,1 Arash Bahramian,1 Jerome A. Orosz,2 Ilya Mandel,3,4,5
Lijun Gou,6,7 Thomas J. Maccarone,8 Coenraad J. Neijssel,3,4,5 Xueshan Zhao,6,7
Janusz Ziółkowski,9 Mark J. Reid,10 Phil Uttley,11 Xueying Zheng,6,7
Do-Young Byun,12,13, Richard Dodson,14 Victoria Grinberg,15 Taehyun Jung,12,13
Jeong-Sook Kim,12 Benito Marcote,16 Sera Markoff,11,17 María J. Rioja,14,18,19
Anthony P. Rushton,20,21 David M. Russell,22 Gregory R. Sivakoff,23
Alexandra J. Tetarenko,24 Valeriu Tudose,25 Joern Wilms26

1: International Centre for Radio Astronomy Research – Curtin University, Perth, Western Australia 6845, Australia
2: Astronomy Department, San Diego State University, San Diego, CA 92182-1221, USA
3: School of Physics and Astronomy, Monash University, Clayton, Victoria 3800, Australia
4: OzGrav: The Australian Research Council Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery, Australia
5: School of Physics and Astronomy, University of Birmingham, Edgbaston, Birmingham B15 2TT, United Kingdom
6: Key Laboratory for Computational Astrophysics, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China
7: University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China
8: Department of Physics & Astronomy, Texas Tech University, Lubbock, TX 79409-1051, USA
9: N. Copernicus Astronomical Center, PL-00-716 Warsaw, Poland
10: Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, MA 02138, USA
11: Anton Pannekoek Institute for Astronomy, University of Amsterdam, 1098 XH Amsterdam, The Netherlands
12: Korea Astronomy and Space Science Institute, Daejeon 34055, Republic of Korea
13: University of Science & Technology, Daejeon 34113, Republic of Korea
14: International Centre for Radio Astronomy Research – The University of Western Australia, Crawley, Western Australia 6009, Australia
15: Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen, 72076 Tübingen, Germany
16: Joint Institute for Very Long Baseline Interferometry European Research Infrastructure Consortium, 7991 PD Dwingeloo, The Netherlands
17: Gravitation & Astroparticle Physics Physics Amsterdam Institute, University of Amsterdam, NL-1098 XH Amsterdam, The Netherlands
18: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation Astronomy and Space Science, Perth, Western Australia 6102, Australia
19: Observatorio Astronómico Nacional, Instituto Geográfico Nacional, 28014 Madrid, Spain
20: Department of Physics, Astrophysics, University of Oxford, Oxford OX1 3RH, UK
21: School of Physics and Astronomy, University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, UK
22: Center for Astro, Particle and Planetary Physics, New York University Abu Dhabi, Abu Dhabi, United Arab Emirates
23: Department of Physics, Centennial Centre for Interdisciplinary Science, University of Alberta, Edmonton, AB T6G 2E1, Canada
24: East Asian Observatory, Hilo, Hawaii 96720, USA
25: Institute for Space Sciences, 077125 Bucharest-Magurele, Romania
26: Dr. Karl Remeis-Sternwarte and Erlangen Centre for Astroparticle Physics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 96049, Bamberg, Germany

: james.miller-jones@curtin.edu.au.

. ( ) . Cygnus X-1 2.220.17+0.18 . 21.2 ± 2.2 . .

7 50 (M)  (1). . 20M (2). 15.65 ± 1.45M M33 X-7  (3).

. ( ) .  (4) .

Cygnus X-1 (V1357 Cyg  S1) 5.6 O. . 1.860.11+0.12 kpc  (5). 14.8 ± 1.0M (6).  (7). 0.42 ± 0.03 () Gaia  (8) 0.05 mas ( 0.03–0.08 mas  (9)) 0.47 ± 0.04 mas. 0.54 ± 0.03 mas  (5) Gaia 119 .

29 3 2016 ( ) Cygnus X-1 (VLBA) 8.4 GHz . 0.4 Cygnus X-1  (10). . ( 1)  (5).

VLBA  (5) ( 7.4 ) ( ) . . - Cygnus X-1  (11). O . - O . ( ) .  (10).

. (  2). 58 ± 20 (μas) 0.46 ± 0.04 mas Gaia .  (12) 2.220.17+0.18 (kpc).

 (6).  (13)  (14) .  (15). (21.2 ± 2.2M; . S8) (40.67.1+7.7M ). 0.160 ± 0.013 (au) ( 1) 73 ± 8 μ 2.220.17+0.18 kpc. VLBA (  2  S3).

(   1)  (7, 10). 2.6  (15). (  3).

 (16). . a > 0.9985 1  (10).  (16, 17). 15 a = 0.9696.

Cygnus X-1 ( Eddington 2 × 107 M  yr1 Cygnus X-1) (4 Myr  (18)). (  (19)). . ( A  (20))  (21). Cygnus X-1 . 9 ± 2 km s1 ( VLBA  (22)) .  (6)  (23).

 (21).  (15). 40M (  (15)) 105 yr ( ). . (  3  (10)).

Cygnus X-1  (24) M33 X-7. M33 X-7 (0.1 Z;  (3)). Cygnus X-1 .  (15)  (10). 21M ( )  (4) Wolf-Rayet  (25, 26). Wolf-Rayet  (4) ( ).

. ( Cygnus X-1 ). ()  (27). ( ).

.  (28, 29). ( ). .

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PIC

 1: Cygnus X-1 . () VLBA ( )  (5) ( ). 68%.  S1. . ( ) . . () ±(√ --
  2) rms 23 (μJy) . . (  2). (RA) (Dec) J2000.

PIC

 2: . . () . VLBA  (5) 68%.  S1. 500 ( ) . . () ( 0.0) ( 0.5) .

PIC

 3: . L. ( X = 0.70 Z = 0.02  (10)). - X = 0.52 Z = 0.02 (  (15)). Z = 0.03 X = 0.52.  (15).  (6) . . 68%.





Parameter Median Mode Lower bound Upper bound





     
i (deg) 27.51 27.33 26.94 28.28
e 0.0189 0.0186 0.0163 0.0217
ω (deg) 306.6 306.3 300.3 313.1
M1 (M) 40.6 39.8 33.5 48.3
f1 0.960 0.999 0.930 0.988
Teff (K) 31,138 31,158 30,398 31,840
K1 (km s1) 75.21 75.18 74.80 75.63
ϕ 0.0024 0.0023 0.0013 0.0034
Ωrot 1.05 1.04 0.95 1.16





MBH (M) 21.2 21.4 18.9 23.4
R1 (R) 22.3 22.2 20.6 24.1
log L∕L 5.625 5.606 5.547 5.698
log(g1cms2) 3.348 3.351 3.335 3.360
a (au) 0.244 0.243 0.231 0.256
a1 (au) 0.0838 0.0840 0.0816 0.0856
aBH (au) 0.160 0.159 0.147 0.173





 1: Cygnus X-1. i e ω O M1 f1 Teff K1 ϕ Ωrot O ( ) . MBH O R1 R L L g1 a a1 aBH ( )  (13). 68%.

PDF


S1 S11
S1 S3
(33-118)

1

VLBA Cygnus X-1 (CHOCBOX) Cygnus X-1 .

1.1

 (33) Cygnus X-1 NVSS J195330+353759 ( J1953+3537) NVSS J195740+333827 ( J1957+3338) 1.08  1.57  (  S1). J1957+3338 . Cygnus X-1 8.4 GHz Mauna Kea St Croix .

 (34) . VLBA 2016 9 44 NVSS (NRAO) (VLA)  (35) 30 Cygnus X-1. 1.64 GHz 44 4 . DiFX  (36) . 64 MHz 8 min . Cygnus Mauna Kea St Croix. (NVSS J195754+353513 J1957+3535) 7.7σ (J2000) 19h57m54.s105, +35d3513.′′02 0.4 Cygnus X-1. 2.8 mJy beam1. .

1.2 VLBA

Cygnus X-1 2016 29 3 VLBA BM429. 5.6 . 8.416 GHz 256 MHz. Cygnus X-1 J1957+3338 J1957+3535 100 60 60 s .

12 hr . .

DiFX  (36) 31DEC17 (AIPS  (37)). J1957+3338 . J1957+3535. J1957+3338 10 . ( ) J1957+3535. Cygnus X-1 J1957+3535 .  1 S2 .

1.3

Cygnus X-1. 5.6 2009–2010  (5) ( VLBA BR141) . .

1.4

> 100 .  (38)  (34) .

50 μas (ν∕6.7 GHz)2 ν  (38). Cygnus X-1 .

VLBA J1957+3535 . Cygnus X-1 J1957+3535 0.4 23 29 μas RA Dec.  (34). (12 ) . 0.4 13 μas .

 (5) J1953+3537 J1957+3338 1.08 1.57 Cygnus X-1 (  S1).  (5) ( ) . (38 47 μas RA Dec.  (34)) 34 μas . . Cygnus X-1  S1.

. . J1957+3338 (ICRF3). J1957+3338 19h57m40.s5499147, 333827.′′943527 96μas RA 323μas Dec ICRF3 (39). ICRF3 151μas RA 181μas Dec. Cygnus X-1( S1 S3) J1957+3535  (10) . 181μas RA 375μas Dec.

1.5

VLBI  (5). 2σ 0.18 ± 0.09 au. VLBA ( 1). . 0.5–5 mas  (40, 41)  (40, 42).

VLBA  (5) . (α0 δ0) (μα cos δ μδ) (π) ( P T0 e i aBH ω Ω). P  (13).  (6) .  (6) ( ) 0.109  (13)  (43). T0  (13) .

(MCMC) PYMC3  (44). (HMC;  (45, 46)) (NUTS;  (47)). i ω  (6). i (180i) 90 < i < 180 VLBA . ω ωBH ω = ωBH + 180.  (6) 152.94 ± 0.76 127.6 ± 5.3 ω BH (α0 δ0 μα cos δ μδ π aBH). Ω . 64. Ω 1.  S2.

π = 535 ± 28 μas aBH = 89 ± 15 μas (  S3 ). S3 () .

1.6

χ2 1  (5) 80 160 (μas) RA Dec. .  (34).

Cygnus X-1 2 GHz  (11). . . 8.4 GHz 13.8 ± 2.4%  (40) . τ = 1 . τ = 1 .

Cygnus X-1 26 ( 1)  (48, 5). .  (32). (α 0 δ0) (μα cos δ μδ) . α0 μα cos δ .

π = 458 ± 35 μas (  S4) aBH = 58 ± 20 μas.   S3.   S5 . . 86 μas ( ). (α00)   S5.  1  2 .

( ) . .  1 2 .

458 ± 35 μas 470 ± 40 μas (DR2) Gaia (8, 9) 468 ± 15 μas (eDR3;  (49, 50)). . 7.7%  (51)  (12). 2.22 kpc 1σ 2.05–2.40 kpc 90% 1.96–2.54 kpc.

1.7

Cygnus X-1 Cygnus OB3 10.7 ± 2.7 km s1  (52)  (22). 2.0 ± 0.3 kpc Cyg OB3  (52).

Cygnus X-1  (16, 53) Ω. Cygnus X-1 Cygnus OB3 10–20 km s1. . 300 km s1 Blaauw  (54) 10.  (55, 56, 57)  (58).

Ω 15. Ω 77 ± 12 . 461 ± 35 μas. 63 ± 20 μas 126 ± 5 . Ω (0–360) Ω 95 ± 18 68% 464 ± 35 μas. 90%. Ω .

1.8

Cygnus X-1  (5) .  (6) O O .  (59)  (14) .

(  (60)). O  (6) . S6 2.22 ± 0.18 kpc.  (6).  (15) O .

ELC  (61) (DE-MCMC)  (62). " D"  (6) O . D  (6) O. L1 Lagrange. 9 (i,K1,M1,f1,ϕ,e,ω, Ωrot,Teff).  (6) .

 (6) log g1 = 3.3  (6).  (60) .  (15, 63, 60, 64)  (63) . (  (15, 64, 60)) 30,000–31,000 K (  (60) ). Teff = 30, 200 ± 900 K.

9 Teff 27,500–36,000 K. χ2

 2       2      2
χtotal = χ data + χconstraints.
(S1)

χdata2 U B V [ (6) (2)]. Cygnus X-1 O R 1(Teff) V rot sin i = 96 ± 6 km s1  (60); O 30, 200 ± 900 O log g1 = 3.31 ± 0.05  (15) . 9

χconstraints2 = (              )
  R1 − R1 (Teff)
  -------------
     σR1(Teff)2 + (              )
  Vrotsini − 96
  -------------
        62
+ (              )
  Teff −-30,200-
      9002 + (            )
  log-g-−-3.31-
     0.052 + Θ χ2, (S2)

Θχ2 = 106 . R 1(Teff) σR1(Teff) . Teff χconstraints2 .

1.9 ELC

DE-MCMC  (32). 8 40 . (  (6)) . 2 500 26 000 .

( ) 20 30 . 150 . 200 .

201 . .

 S7  1 ( 75) 1σ. .

i f1 (   S7). f1 1.0. 0.963 0.993. 95% 0.917.

40.67.1+7.7 M 21.2 ± 2.2 M (  S8) O 19.2 ± 1.9 M 14.8 ± 1.0 M  (6). O 22.3 ± 1.8 R Teff = 31.1 ± 0.7 kK log(L∕L) = 5.630.08+0.07.  S9 S10 .  (6) 1.4 .

. . . 20%.

aBH = 0.160 ± 0.013 au 73 ± 8 μas 2.220.17+0.18 kpc. (58 ± 20 μas) . VLBA.

1.10

 (65) a = cJ∕GMBH2 J c G . R in Novikov-Thorne   (66). Rin (ISCO) RISCO. RISCO a 6 GM∕c2 GM∕c2 a = 0 1.  (67).  (65).

/  (68, 69) ISCO . Cygnus X-1 /  (70) ISCO < 25% .  (16, 53) . Cygnus X-1. D M i  (53, 32).

( )   (53) a > 0.9985 3σ . a 15 ( i = 42.5) a = 0.9696.

 (71) ISCO. Fe Kα  (17, 55, 56, 57, 58).  (72).

1.11

Warsaw  (64, 32).  (7). 30 500 K  (15) .

fsw (  (64)  (25)  (73) .  (7) fsw 2 5 ( ). Cygnus X-1. : w = (2.57 ± 0.05) × 106 M yr1  (14). O-type  (74) . f sw Teff = 30, 500 K  (14). 2247M. fsw 4.15 0.415 log(M∕M) 1.345 1.668.

.  (15) X = 0.52 ± 0.05 ( [He∕H] = 0.42 ± 0.05) Z = 0.03 (  (15)). Z = 0.02. . 3. .

1σ Teff = 31, 100 K < 5%. 50% < 3%. .

 3 . "" X = 0.70 Z = 0.02 X = 0.52 ( ).

2

2.1

(  (75, 76) ).  (4).

: Wolf-Rayet . Humphreys-Davidson  (77). ( )

                   −4      −1
ML˙BV   = fLBV ×  10  M ⊙ yr  .
(S3)

- - Wolf-Rayet

                    (    )1.5 (    )0.86
M˙    = f   ×  10−13  -L-      -Z-      M   yr−1,
  WR     WR           L ⊙      Z ⊙        ⊙
(S4)

L  (78).

COMPAS  (79, 80) Wolf-Rayet  (32). Cygnus X-1 Z = 0.02 = 1.4Z ( Cygnus X-1  (15)). . S11 f

LBVf_WR.Wolf Rayet1001(4)(Cygnus X1)compas1001(28).Cygnus X1Wolf Rayet.O(Wolf Rayet)O.

Cygnus X-1 . Cygnus X-1 Wolf-Rayet .  (81, 82) .  (83) " " .  (84)  (85)  (86).

2.2

IC10 X-1  (87, 88) NGC 300 X-1  (89, 90, 91) Cygnus X-1. .  (92, 93) Wolf-Rayet . IC10 X-1 NGC 300 X-1 Cygnus X-1.

LB-1 (LS V +22 25) 70M  (94). Hα (  (95)) 5M (96, 97, 98, 95).

2.3

Cygnus X-1. . .  (99, 100, 101, 102, 103, 104).

 (10).  (71)  (105) Eddington 4 ( ) a = 0.3. .  (106, 107) 2 .  (108) .

 (21): . Cygnus X-1 LMC X-1 M33 X-7 50R  (30) (  (109, 110, 111) ).

Wolf-Rayet . .  (112) s1 . Cygnus OB3  (22).  (10) 1M ( ) .

A Wolf-Rayet  (15).  (109) . GRO J1655-40  (113, 114). Cygnus X-1. (  3).

. . ( ). Rayleigh-Taylor  (116, 117) . 105 . . ×104  (19) .

 (118).

PIC

 S1: . NVSS J195330+353759 (J1953+3537), NVSS J195754+353513 (J1957+3535) NVSS J195740+333827 (J1957+3338) Cygnus X-1. . . J1957+3338 Cygnus X-1 J1957+3535 Cygnus X-1. (ICRS).

PIC

 S2: 8.4- GHz VLBA J1957+3535. 2016 . VLBA. ±2n 90 μJy beam1 n = 0, 1, 2,... rms 26 μJy beam1. 14 30 (μas) R.A. Dec. . .

PIC

 S3: . (A) (B). 0.1 mas 68%.

PIC

 S4: . . () . () π = 458 ± 35 μas. 68%.

PIC

 S5: PyMC Cygnus X-1. (α0 δ0 μas) (μα cos δ μδ μas yr1) (π μas) (i ) (ω ) (Ω ) (aBH μas). . . 1σ 1 2 3σ ( ). 3σ.

PIC

 S6: Cygnus X-1 . (A) (B) O. . (  (6)) .

PIC

 S7: . N 24,360. i (A) f1 (E). . 95% > 0.914. 15.87% 1σ.  1. 90% .

PIC

 S8: . N 24,360. 15.87% 1σ 18.9–23.4M. 90% 17.4–24.8M.

PIC

 S9: ELC . (A) U . (B) U. (C) B . (D) B. (E) V . (F) V . 68%. .

PIC

 S10: ELC. (A) ( ) ( ). (B) (). 30 . 75.2 ± 0.4 km s1. .

PIC

 S11: Cygnus X-1 . Z = 0.02 COMPAS f lbvWolf Rayetf_wr.68%Cygnus X1.Cygnus X11001(4)..Wolf Rayet.
 S1: Cygnus X-1. ( F–K).  (10). A–E 2009–2010 BR141  (5) F–K VLBA 2016 BM429.






Epoch Modified Right Ascension Uncertainty Declination Uncertainty
Julian Date
(days) (μs) (μas)






A 54854.793 19h58m21.s6729257 4.3 35125.′′728295 59
B 54934.574 19h58m21.s6728871 4.2 35125.′′727202 59
C 55025.326 19h58m21.s6727746 4.2 35125.′′726103 58
D 55136.023 19h58m21.s6726354 4.3 35125.′′723756 60
E 55221.788 19h58m21.s6726232 4.2 35125.′′721701 59
F 57537.437 19h58m21.s6706713 2.8 35125.′′682730 48
G 57538.434 19h58m21.s6706620 2.9 35125.′′682710 50
H 57539.432 19h58m21.s6706713 2.6 35125.′′682521 46
I 57540.429 19h58m21.s6706746 2.5 35125.′′682501 43
J 57541.426 19h58m21.s6706764 2.6 35125.′′682557 45
K 57542.424 19h58m21.s6706679 2.6 35125.′′682604 47






 S2: MCMC . (α00) RA Dec.  MJD 56198.0. 𝒰 𝒩 () μ σ.




Parameter Description Prior distribution Units




α0 R.A. reference position 𝒰(0.2, 0.2) arcseconds
δ0 Dec. reference position 𝒰(0.2, 0.2) arcseconds
μα cos δ R.A. proper motion 𝒰(20, 20) mas yr1
μδ Dec. proper motion 𝒰(20, 20) mas yr1
π Parallax 𝒰(0.1, 0.9) mas
i Orbital inclination 𝒩 (μ = 152.94, σ = 0.76) degrees
ω Argument of periastron 𝒩 (μ = 127.6, σ = 5.3) degrees
Ω Longitude of ascending node 𝒩 (μ = 64.0, σ = 1.0) degrees
aBH BH orbital semimajor axis 𝒰(0.0, 0.5) mas




R.A. Dec.

 (6).

.

 S3: Cygnus X-1 MCMC .   S2. (α00) RA Dec.  MJD 56198.0. 1σ ( ) 15.9 84.1 . 90% ( 5 95 ) 1-D .





Parameter 2-D fit 1-D fit 1-D fit 1-D fit
5th percentile 95th percentile





α0 (19h58m) 21.s6717793(17) 21.s6717793(17) 21.s6717770 21.s6717817
δ0 (35 12) 5.′′705435(18) 5.′′705497(60) 5.′′705399 5.′′705597
μα cos δ (mas yr1) 3.804(5) 3.804(5) 3.801 3.796
μδ (mas yr1) 6.312(6) 6.283(17) 6.312 6.254
π (mas) 0.535(28) 0.458(35) 0.399 0.516
i ()§ 153.0(8) 152.9(7) 151.7 154.2
ω () 118(5) 125(5) 116 133
Ω () 64.4(1.0) 64.1(1.0) 62.4 65.7
aBH (μas) 89(15) 58(20) 25 90





 (10).

α0 μα cos δ  (10).

MJD 56198.0.

§ 90–180  .