We present the first X-ray spectropolarimetric results for Cygnus X-1 in its soft state from a campaign of five IXPE observations conducted during 2023 May-June. Companion multiwavelength data during the campaign are likewise shown. The 2-8 keV X-rays exhibit a net polarization degree PD=1.99%+/-0.13% (68% confidence). The polarization signal is found to increase with energy across IXPE's 2-8 keV bandpass. The polarized X-rays exhibit an energy-independent polarization angle of PA=-25.7+/-1.8 deg. East of North (68% confidence). This is consistent with being aligned to Cyg X-1's AU-scale compact radio jet and its pc-scale radio lobes. In comparison to earlier hard-state observations, the soft state exhibits a factor of 2 lower polarization degree, but a similar trend with energy and a similar (also energy-independent) position angle. When scaling by the natural unit of the disk temperature, we find the appearance of a consistent trendline in the polarization degree between soft and hard states. Our favored polarimetric model indicates Cyg X-1's spin is likely high (a* above ~0.96). The substantial X-ray polarization in Cyg X-1's soft state is most readily explained as resulting from a large portion of X-rays emitted from the disk returning and reflecting off the disk surface, generating a high polarization degree and a polarization direction parallel to the black hole spin axis and radio jet. In IXPE's bandpass, the polarization signal is dominated by the returning reflection emission. This constitutes polarimetric evidence for strong gravitational lensing of X-rays close to the black hole.

Abstract The Imaging X-ray Polarimetry Explorer observations of the X-ray binary 4U 1630–47 in the high soft state revealed high linear polarization degrees (PDs) rising from 6% at 2 keV to 10% at 8 keV. We discuss in this Letter three different mechanisms that impact the polarization of the observed X-rays: the reflection of gravitationally lensed emission by the accretion disk, reprocessing of the emission in outflowing plasma, and electron and ion anisotropies in the accretion disk atmosphere. We conducted detailed ray-tracing studies to evaluate the impact of the reflection of strongly gravitationally lensed emission on the PDs. Although the reflected emission can produce high PDs in the high-energy tail of the thermal emission component, we do not find models that describe the PDs and are consistent with independent estimates of the source distance. We discuss the energetics of another proposed mechanism: the emission or scattering of the X-rays in mildly relativistically moving plasma outflows. We argue that these models are disfavored as they require large mechanical luminosities on the order of, or even exceeding, the Eddington luminosity. We investigated the impact of electron and ion anisotropies but find that their impact on the observed PDs are likely negligible. We conclude with a discussion of all three effects and avenues for future research.