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Tulip Nebula 
& Cygnus X-1 Bowshock

Sh2-101 · Cygnus X-1

The Tulip Nebula Sh2-101 in Cygnus, near the black hole binary Cygnus X-1, in 85.7 hours of SHORGB

Processed by Nicolas Rolland, Paris, as part of the Astrofleet Team. 93.6 hours gathered with our own setup at PixelSkies, Castilléjar, Spain.

Two things share this field, and only one of them is visible for what it is. The Tulip Nebula is a cloud of hydrogen about 6,000 light-years away in Cygnus, catalogued by Stewart Sharpless in 1959 and named for the shape it takes on a photograph. The other is a black hole, and what you can see of it is the wave it pushes ahead of itself through the surrounding gas.

A tulip six thousand light-years away

Sh2-101 is an HII region — hydrogen ionised by the young, hot stars inside it, glowing as that hydrogen recombines. It is invisible to the eye and modest even on a photograph: the shape that gives it its name only resolves with enough exposure to separate the petals from the background. This frame runs 41.6 by 63 arcminutes, wide enough to hold the nebula and the field it shares.

The black hole next door

Cygnus X-1 sits in the same field, and it was one of the first objects ever taken seriously as a black hole candidate, back in 1965. It holds about 21 solar masses, and it is not alone: it orbits with HDE 226868, a blue supergiant, close enough that the star's wind is being pulled onto it continuously. That is what makes the system visible in X-rays — infalling material heated to millions of degrees in an accretion disc. It is also what makes it visible here. The wind streaming off the supergiant ploughs into the interstellar gas ahead of the system, and the shock front it raises is the arc running through this frame. The black hole itself shows nothing at all; what the image records is the pressure wave it drags through the neighbourhood.

Ninety-four hours on a shock front

Ninety-four hours was the plan, not an accident. The shock front is the reason: it is faint, it is diffuse, and no amount of clever processing recovers a signal that was never collected. So 345 exposures went to OIII alone, and even that was not enough on its own. Pulling the arc out of the background took a hard stretch on the oxygen layer and a lot of masking, and the danger in that direction is specific. Stretch far enough and noise starts to look like structure — you end up showing oxygen that was never there, and the boundary between the shock and the sky begins to read as a drawn edge rather than a physical one. Most of the work was spent not on bringing the arc up, but on keeping the noise around it from following.

The colours here are assigned, not real. This is the Hubble palette: SII to red, Ha to green, OIII to blue — three narrowband filters standing in for the three colour channels. A narrowband filter records a single emission line, so what it captures has no natural colour at all until one is given to it. The stars are the exception: eight hours of red, green and blue were shot alongside the narrowband set and used for them alone, so every point of light in this frame carries its true colour while the gas around it carries a mapped one.

Version française
Deux choses se partagent ce champ, et une seule est visible pour ce qu'elle est. La nébuleuse de la Tulipe est un nuage d'hydrogène situé à environ 6 000 années-lumière, dans le Cygne, catalogué par Stewart Sharpless en 1959 et nommé d'après la forme qu'il prend en photographie. L'autre est un trou noir, et ce qu'on en voit est l'onde qu'il pousse devant lui dans le gaz environnant.
 
Sh2-101 est une région HII — de l'hydrogène ionisé par les étoiles jeunes et chaudes qu'elle contient, et qui brille en se recombinant. Elle est invisible à l'œil et discrète même en photographie : la forme qui lui vaut son nom ne se dégage qu'avec assez de pose pour séparer les pétales du fond de ciel. Ce cadrage fait 41,6 × 63 minutes d'arc, assez large pour contenir la nébuleuse et le champ qu'elle partage.
 
Cygnus X-1 occupe le même champ, et c'est l'un des tout premiers objets à avoir été pris au sérieux comme candidat trou noir, dès 1965. Il pèse environ 21 masses solaires, et il n'est pas seul : il orbite avec HDE 226868, une supergéante bleue, d'assez près pour que le vent de l'étoile soit continuellement attiré vers lui. C'est ce qui rend le système visible en rayons X — de la matière en chute chauffée à des millions de degrés dans un disque d'accrétion. Et c'est aussi ce qui le rend visible ici. Le vent qui s'échappe de la supergéante laboure le gaz interstellaire devant le système, et le front de choc qu'il soulève est l'arc qui traverse ce champ. Le trou noir lui-même ne montre rien ; ce que l'image enregistre, c'est l'onde de pression qu'il traîne derrière lui.
 
Les quatre-vingt-quatorze heures étaient prévues, pas subies. L'onde de choc en est la raison : elle est faible, elle est diffuse, et aucun traitement habile ne récupère un signal qu'on n'a pas collecté. Trois cent quarante-cinq poses sont donc allées au seul OIII — et cela n'a pas suffi. Sortir l'arc du fond de ciel a demandé un étirement poussé sur la couche oxygène et beaucoup de masquage, avec un risque bien identifié : à force d'étirer, le bruit se met à ressembler à de la structure. On finit par montrer du OIII qui n'a jamais existé, et la limite entre le choc et le ciel prend l'allure d'un trait dessiné plutôt que d'une frontière physique. L'essentiel du travail n'a pas consisté à faire monter l'arc, mais à empêcher le bruit de monter avec lui.
 
Les couleurs de cette image sont attribuées, pas réelles. C'est la palette Hubble : le SII sur le rouge, le Ha sur le vert, le OIII sur le bleu — trois filtres à bande étroite qui tiennent la place des trois couches de couleur. Un filtre à bande étroite n'enregistre qu'une seule raie d'émission : ce qu'il capte n'a aucune couleur propre tant qu'on ne lui en assigne pas une. Les étoiles font exception : huit heures de rouge, vert et bleu ont été posées en plus du jeu à bande étroite et leur sont réservées, de sorte que chaque point lumineux de ce champ porte sa vraie couleur quand le gaz qui l'entoure porte une couleur assignée.

TECHNICAL DATA

ACQUISITION DETAILS

OPTICS TS-Optics CF-APO 155mm @ F/8
CAMERA ZWO ASI2600MM Pro
MOUNT iOptron CEM70
FILTERS Ha, OIII, SII, R, G, B
LOCATION PixelSkies, Castilléjar, Granada, Andalucia, Spain
DATE July 2024
EXPOSURES 93.6 hours (Ha 405 x 300 sec, OIII 345 x 300 sec, SII 278 x 300 sec, R 59 x 180 sec, G 49 x 180 sec, B 51 x 180 sec)
PROCESSING SOFTWARE Pixinsight, CCDstack, Photoshop
COPYRIGHTS Nicolas Rolland & Team Astrofleet

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TARGET DETAILS

RA 19h 59m 12.7s
DEC +35° 28' 46.3"
SIZE 41.6 x 63 arcmin
ORIENTATION Up is 2.6 degrees E of N
CONSTELLATION Cygnus