Cụm thiên hà Phoenix (hoặc SPT-CL J2344-4243)

Cụm thiên hà Phoenix (định danh thiên văn: SPT-CL J2344-4243) là một cụm thiên hà khổng lồ nằm trong chòm sao Phượng Hoàng. Với khoảng cách xấp xỉ 5,7 tỷ năm ánh sáng từ Trái Đất, đây là một trong những cụm thiên hà có khối lượng lớn nhất và tốc độ hình thành sao cao nhất từng được phát hiện. Sự tồn tại của cụm thiên hà này đã đặt ra những thách thức đáng kể đối với các mô hình tiến hóa cụm thiên hà truyền thống.

1. Lịch sử quan sát 
Cụm thiên hà Phoenix được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2012 thông qua dữ liệu thu thập được từ Kính thiên văn Nam Cực (South Pole Telescope - SPT). Việc phát hiện cụm thiên hà này dựa trên hiệu ứng Sunyaev–Zel'dovich – sự tán xạ ngược của các photon trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ khi chúng đi qua khí nóng trong cụm. Sau đó, các quan sát từ Đài quan sát tia X Chandra của NASA và Kính thiên văn không gian Hubble đã xác nhận quy mô khổng lồ và tốc độ hình thành sao mãnh liệt của nó.

2. Đặc điểm vật lý 
Cụm thiên hà Phoenix có tổng khối lượng ước tính khoảng 2x10^15 lần khối lượng Mặt Trời (tức gấp 2 triệu tỷ lần mặt trời). Nó là một môi trường phức tạp bao gồm:

 Khí nóng liên thiên hà (ICM): Chứa lượng khí nóng khổng lồ phát ra bức xạ tia X.

 Hố đen trung tâm (Phoenix A): Một hố đen siêu khối lượng với kích thước vượt xa các hố đen trung tâm thông thường, đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết năng lượng của cụm.

3. Tốc độ hình thành sao 
Điểm khác biệt nhất của cụm Phoenix là tốc độ hình thành sao cực cao, lên tới hơn 700 khối lượng Mặt Trời mỗi năm. Trong hầu hết các cụm thiên hà lớn khác, các thiên hà ở trung tâm thường "đã chết" (ngừng hình thành sao mới). Tuy nhiên, tại Phoenix, khí gas lạnh dồi dào chảy vào trung tâm, tạo điều kiện cho hàng loạt ngôi sao mới ra đời, phá vỡ các mô hình tiến hóa cụm thiên hà hiện tại.

4. Các thành phần

Thiên hà trung tâm 
Thiên hà trung tâm của cụm Phoenix, thường được gọi là Phoenix BCG, là một thiên hà elip khổng lồ nằm ở vị trí tâm điểm của giếng trọng lực. Tuy nhiên, nó khác biệt hoàn toàn với những người anh em elip "đã chết" trong các cụm thiên hà già cỗi khác.

Cấu trúc và Sự bùng nổ sao 

 Đặc điểm hình thái: Nó sở hữu một vùng nhân rực rỡ và các cấu trúc sợi khí dày đặc. Thay vì chứa các ngôi sao già cỗi, thiên hà này đang trải qua một giai đoạn bùng nổ sao (starburst) dữ dội nhất từng được quan sát trong một thiên hà cự đại.
 Tốc độ sinh sao: Thiên hà này sản sinh khoảng 740 khối lượng Mặt Trời mỗi năm (gấp khoảng 700 lần so với Dải Ngân hà). Các ngôi sao mới sinh này chủ yếu là các sao lớn, trẻ, có màu xanh lam rực rỡ, khiến thiên hà có độ sáng cực cao trên phổ hồng ngoại và tử ngoại.

Sự cung cấp khí gas (Cooling Flow) 
Lý do tại sao thiên hà này không "chết" nằm ở dòng khí gas:

 Dòng làm mát (Cooling Flow): Khí nóng trong cụm thiên hà (có nhiệt độ lên tới hàng triệu độ) thay vì duy trì trạng thái nóng ổn định, nó đang nguội đi rất nhanh. Khi nguội, khí gas co lại và rơi vào trung tâm thiên hà.
 Nguyên liệu vô tận: Quá trình làm mát này cung cấp một nguồn cung khí Hydro phân tử khổng lồ, tạo ra "nguyên liệu thô" liên tục để thiên hà xây dựng nên các cấu trúc sao mới. Đây là một cơ chế tự nuôi dưỡng mà ít thiên hà trung tâm nào ở độ tuổi 5,7 tỷ năm có thể thực hiện được.

Môi trường tương tác 
Thiên hà trung tâm không đứng yên. Nó liên tục hấp thụ các thiên hà vệ tinh nhỏ hơn xung quanh thông qua quá trình ăn thịt thiên hà (galactic cannibalism). Điều này góp phần làm tăng khối lượng của nó theo thời gian và duy trì hình dạng elip khổng lồ đặc trưng.

Sự cân bằng mong manh với Hố đen

Thiên hà này tồn tại trong một trạng thái cân bằng mong manh:

 Nếu không có hố đen, toàn bộ khí gas sẽ rơi vào và tạo sao quá nhanh, dẫn đến việc cạn kiệt tài nguyên trong thời gian ngắn.
 Nếu hố đen quá mạnh, nó sẽ làm nóng khí gas và dừng quá trình tạo sao.
 Tại Phoenix, dường như hố đen Phoenix A đang điều tiết dòng khí này ở mức "vừa đủ" để cho phép thiên hà tiếp tục phát triển mà không bị phá hủy hoặc dừng lại hoàn toàn.

Hố đen trung tâm: Phoenix A 
Phoenix A nằm ở tâm điểm của thiên hà trung tâm, đóng vai trò là "động cơ" điều khiển các hoạt động vật lý khắc nghiệt của toàn bộ cụm thiên hà Phoenix.

Quy mô vượt ngưỡng tưởng tượng 

 Khối lượng: Ước tính lên tới 100 tỷ M☉. Để so sánh, hố đen Sagittarius A* ở tâm Dải Ngân hà của chúng ta chỉ nặng khoảng 4 triệu M☉. Phoenix A nặng gấp 25.000 lần hố đen của Dải Ngân hà.
 Bán kính Schwarzschild: Nếu một vật thể có khối lượng như Phoenix A, chân trời sự kiện (event horizon) của nó sẽ có đường kính khoảng 600 tỷ km (tức là khoảng 4.000 đơn vị thiên văn - gấp 100 lần khoảng cách từ Mặt Trời đến Sao Diêm Vương). Nếu đặt nó vào trung tâm Hệ Mặt Trời, toàn bộ các hành tinh cho đến tận vành đai Kuiper đều sẽ nằm gọn bên trong "vùng không thể quay đầu" này.

Tại sao nó lại lớn đến mức này? 
Sự tồn tại của một SLAB như Phoenix A là một thách thức đối với các mô hình lý thuyết về sự hình thành hố đen:

 Nuốt chửng cấp tốc: Trong môi trường dày đặc của cụm Phoenix, hố đen này có thể đã liên tục hấp thụ khí gas lạnh từ dòng chảy làm mát (cooling flow) trong hàng tỷ năm.
 Sáp nhập thiên hà: Phoenix A có thể là kết quả của việc sáp nhập nhiều hố đen siêu khối lượng khác trong suốt quá trình tiến hóa của cụm thiên hà, nơi các thiên hà nhỏ hơn bị kéo vào và bị "ăn thịt" bởi cụm Phoenix.

Sự nghịch lý trong cơ chế phản hồi (Feedback Mechanism) 
Theo lý thuyết thông thường, một hố đen lớn như vậy sẽ tạo ra luồng phản lực (jets) cực mạnh, làm nóng khí gas xung quanh và ngắt quãng quá trình hình thành sao. Tuy nhiên, Phoenix A dường như là một ngoại lệ:

 Cơ chế đặc biệt: Có giả thuyết cho rằng Phoenix A có thể đang ở trong một pha hoạt động đặc biệt, nơi các luồng plasma của nó không lan tỏa theo cách ngăn cản sự hình thành sao, hoặc đơn giản là tốc độ cung cấp khí gas vào lõi quá lớn, vượt xa khả năng "ngăn chặn" của hố đen.
 Tác động: Sự hiện diện của nó duy trì một trường hấp dẫn khổng lồ, giữ cho cấu trúc của cụm thiên hà luôn ổn định trong khi vẫn cho phép thiên hà trung tâm tiếp tục quá trình "bùng nổ sao" (starburst).

Tham khảo