Cụm sao cầu

Cụm sao cầu (hay quần tinh cầu hoặc đám sao cầu) là một tập hợp có hình cầu với các ngôi sao mà tập hợp này quay quanh tâm thiên hà như là một vệ tinh. Cụm sao cầu được liên kết rất chặt bởi hấp dẫn khiến chúng có dạng hình cầu và mật độ các sao tương đối cao khi hướng dần về tâm của cụm. Cụm sao cầu là một dạng của các cụm sao.
Các cụm sao cầu thường quan sát thấy trong vầng thiên hà, chúng chứa một lượng đáng kể các ngôi sao, đa phần là những ngôi sao già hơn các sao trong cụm sao phân tán, những cụm sao này ít đậm đặc hơn và thường tìm thấy trong đĩa thiên hà. Những cụm sao cầu cũng xuất hiện trong một thiên hà với số lượng khá lớn: có khoảng 150 đến 158 cụm sao cầu đã biết trong Ngân Hà, và có lẽ còn khoảng 10 đến 20 cụm khác chưa được khám phá ra. Những thiên hà lớn hơn có số lượng nhiều hơn: Ví dụ, thiên hà Andromeda có khoảng 500 cụm. Một số thiên hà elip khổng lồ, đặc biệt những thiên hà elip tại tâm của các cụm thiên hà, như M87 có khoảng 13.000 cụm sao cầu. Các cụm sao này quay xung quanh tâm thiên hà với bán kính khá lớn, khoảng 40 kiloparsecs (xấp xỉ 131.000 năm ánh sáng) hoặc hơn nữa.
Mỗi thiên hà có khối lượng đủ lớn trong Nhóm Địa phương có một nhóm những cụm sao cầu đi kèm, và hầu hết những thiên hà lớn đã được khảo sát đều tìm thấy có chứa một hệ cụm sao cầu quay quanh. Thiên hà elip lùn Nhân Mã và thiên hà lùn Đại Khuyển dường như đang bị Ngân Hà tước mất các cụm sao cầu (như cụm sao cầu Palomar 12). Từ đó các nhà thiên văn cho rằng nhiều cụm sao cầu trong các thiên hà lớn đã bị bắt từ những thiên hà vệ tinh trong quá khứ.
Mặc dù trong một số cụm sao cầu chứa những ngôi sao đầu tiên được sinh ra ở thiên hà chính, nguồn gốc và vai trò của chúng trong sự hình thành thiên hà vẫn chưa được hiểu rõ. Người ta cũng nhận thấy rõ là cụm sao cầu khác biệt hoàn toàn so với các thiên hà elip lùn và những cụm này được tạo nên từ sự hình thành sao của thiên hà chính hơn là từ một thiên hà vệ tinh. Tuy vậy, nhiều nhà thiên văn hiện tại phỏng đoán là các cụm sao cầu và các thiên hà lùn hình cầu có thể chưa phân biệt được rõ ràng đối với nhau.

Thành phần

Cụm sao cầu nói chung là tổ hợp của hàng trăm nghìn sao già với độ kim loại thấp. Loại sao tìm thấy trong cụm sao cầu giống với các sao trong chỗ phình của thiên hà xoắn ốc nhưng bị giam hãm trong thể tích chỉ vài parsec khối. Những nơi này hầu như không có khí và bụi và có thể mọi khí và bụi đã tham gia vào hình thành các hệ sao từ rất lâu về trước.
Cụm sao cầu có thể chứa các sao với mật độ lớn; trung bình khoảng 0,4 ngôi sao trên một parsec khối, và tăng dần lên tới 100 hoặc 1000 sao trên một parsec khối khi tiến về lõi cụm sao cầu. Tuy vậy, chúng không thể là nơi thích hợp cho tồn tại hệ hành tinh. Quỹ đạo của các hành tinh là bất ổn định về mặt động lực học tại vùng lõi đậm đặc của cụm sao bởi vì sự nhiễu loạn hấp dẫn của những ngôi sao xung quanh. Một hành tinh quay trên quỹ đạo một AU xung quanh một ngôi sao nằm ở vùng lõi đậm đặc của cụm như cụm sao 47 Tucanae chỉ có thể tồn tại trong khoảng thời gian với cấp độ là 10⁸ năm. Có một hệ hành tinh quay quanh một pulsar (PSR B1620−26) thuộc về cụm sao cầu M4, nhưng những hành tinh này có thể hình thành sau sự kiện sinh ra pulsar này.
Trong nhiều cụm sao cầu, phần lớn các sao xấp xỉ ở trong cùng một trạng thái tiến hóa sao giống nhau, gợi ra rằng chúng đã từng hình thành ở cùng một thời điểm. Tuy vậy, lịch sử hình thành sao thay đổi từ cụm này sang cụm khác, với một số cụm có các lớp sao khác nhau. Một ví dụ về điều này đó là những cụm sao cầu trong Đám mây Magelland lớn (LMC) có hai lớp sao khác nhau. Trong thời gian đầu của chúng, những cụm sao trong LMC có thể đã đi vào những đám mây phân tử khổng lồ khiến kích hoạt lên sự hình thành một thế hệ sao thứ hai. Không một cụm sao cầu nào đã được biết mà còn sự hoạt động hình thành các sao trẻ, điều này cũng phù hợp với quan điểm cho rằng những cụm sao cầu là những đối tượng già nhất điển hình trong thiên hà, và là một trong những tập hợp đầu tiên nơi các ngôi sao hình thành. Rất nhiều vùng rộng lớn nơi các ngôi sao hình thành gọi là các siêu cụm sao, như cụm Westerlund 1 trong Ngân Hà, có thể là tiền thân của các quần tinh cầu.
Một vài đám sao cầu, như Omega Centauri trong Ngân Hà của chúng ta và G1 trong M31, có khối lượng lớn bất thường, khoảng vài triệu lần khối lượng Mặt Trời và chứa nhiều thế hệ sao. Cả hai có thể coi là một chứng cứ về những cụm sao siêu khối lượng mà bản chất là phần lõi còn lại của các thiên hà lùn đã từng bị những thiên hà lớn hơn nuốt mất. Khoảng một phần tư số lượng các cụm sao cầu trong Ngân Hà đã từng là lõi của các thiên hà lùn.
Một số quần tinh cầu (như M15) có lõi với khối lượng cực lớn và có thể ẩn chứa những lỗ đen lớn, mặc dù các mô phỏng cho thấy lỗ đen nhỏ hơn hoặc sự tập trung tại tâm của các sao neutron hoặc những sao lùn trắng khối lượng lớn cũng giải thích khá tốt số liệu quan sát.