กระจุกดาวทรงกลมประกอบด้วยดาวฤกษ์อายุมากหลายแสนดวงซึ่งมีค่าความเป็นโลหะต่ำ ชนิดของดาวฤกษ์ที่พบในกระจุกดาวทรงกลมจะคล้ายคลึงกับที่พบในดุมของดาราจักรชนิดก้นหอย แต่อัดตัวกันอยู่ในปริมาตรเพียงไม่กี่ลูกบาศก์พาร์เซกเท่านั้น ไม่มีแก๊สและฝุ่นในกระจุกดาว คาดกันว่าแก๊สและฝุ่นทั้งหมดได้กลายสภาพไปเป็นดาวจนหมดเป็นเวลานานมาแล้ว

กระจุกดาวทรงกลมมีความหนาแน่นของดาวฤกษ์สูงมาก (เฉลี่ยประมาณ 0.4 ดวงต่อลูกบาศก์พาร์เซก ขึ้นไปจนถึง 100 หรือ 1000 ดวงต่อลูกบาศก์พาร์เซกในบริเวณในกลางกระจุกดาว) [14] มันไม่ใช่สถานที่อันเหมาะสมที่จะเกิดระบบดาวเคราะห์ได้เลย วงโคจรของระบบดาวเคราะห์จะมีภาวะไม่เสถียรอย่างมากภายในแกนกลางอันหนาแน่นของกระจุกดาว เนื่องมาจากการรบกวนจากดาวฤกษ์อื่นที่ผ่านไปมา ดาวเคราะห์ที่มีระยะวงโคจร 1 หน่วยดาราศาสตร์จากดาวฤกษ์ภายในแกนกลาง เช่น 47 นกทูแคน จะมีชีวิตรอดอยู่ราว 108 ปี[15] อย่างไรก็ดี มีการค้นพบระบบดาวเคราะห์อย่างน้อย 1 แห่ง โคจรอยู่รอบดาวพัลซาร์ (PSR B1620−26) ซึ่งอยู่ในกระจุกดาวทรงกลม M4[16]

กระจุกดาวทรงกลมแต่ละแห่งมีอายุที่ค่อนข้างแน่นอน เพียงมีที่ยกเว้นเด่น ๆ บ้างไม่กี่แห่ง ทั้งนี้เพราะดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในกระจุกดาวจะมีอายุในระดับวิวัฒนาการประมาณเดียวกัน จากสมมุติฐานที่ว่ามันถือกำเนิดขึ้นมาพร้อมกัน ยังไม่พบกระจุกดาวทรงกลมแห่งใดที่มีปรากฏการณ์กำเนิดดาวฤกษ์อยู่เลย ซึ่งก็สอดคล้องกับข้อสังเกตที่ว่ากระจุกดาวทรงกลมถือเป็นหนึ่งในวัตถุท้องฟ้าที่มีอายุมากที่สุดในดาราจักร เป็นกลุ่มของดาวฤกษ์กลุ่มแรก ๆ ที่ถือกำเนิดขึ้น ย่านกำเนิดดาวฤกษ์ที่ใหญ่มากแห่งหนึ่งรู้จักในชื่อ มหากระจุกดาว (Super star cluster: SSC) ดังเช่นกระจุกดาว Westerlund 1 ในทางช้างเผือก ถือเป็นกระจุกดาวทรงกลมชุดแรก ๆ[17]

กระจุกดาวทรงกลมบางแห่ง เช่น โอเมกาคนครึ่งม้า ในทางช้างเผือก หรือ G1 ในดาราจักร M31 มีมวลมากอย่างยิ่งยวด (หลายล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์) และมีสมาชิกดาวฤกษ์อยู่เป็นจำนวนมาก กระจุกดาวทั้งสองแห่งถือเป็นหลักฐานสำคัญของกระจุกดาวทรงกลมมวลยิ่งยวดซึ่งอยู่ที่ใจกลางดาราจักรแคระที่ถูกดาราจักรที่ใหญ่กว่ากลืนรวมเข้าไป มีกระจุกดาวทรงกลมหลายแห่ง (เช่น M15) มีมวลสูงมากในใจกลาง ซึ่งเป็นไปได้ว่าอาจมีหลุมดำอยู่[18] แม้จะมีแบบจำลองที่ระบุว่า แกนกลางมวลมากนั้นอาจเป็นหลุมดำขนาดเล็ก หรือดาวนิวตรอนขนาดกลาง หรือดาวแคระขาวมวลมากก็ได้

ส่วนประกอบความเป็นโลหะ

โดยทั่วไปแล้ว กระจุกดาวทรงกลมจะประกอบด้วยดาวฤกษ์ชนิดดารากร 2 ซึ่งมีคุณสมบัติความเป็นโลหะต่ำกว่าเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1 อย่างเช่นดวงอาทิตย์ (สำหรับนักดาราศาสตร์แล้ว โลหะ หมายรวมถึงธาตุหนักทุกชนิดที่หนักกว่าฮีเลียม เช่น ลิเธียมและคาร์บอน)

นักดาราศาสตร์ชาวดัตช์ ชื่อ เพียเตอร์ ออสเตอร์ฮอฟฟ์ สังเกตพบว่าน่าจะมีสมาชิกกระจุกดาวทรงกลมอยู่ 2 ประเภท ต่อมาเรียกชื่อการจัดกลุ่มเช่นนี้ว่า กลุ่มของออสเตอร์ฮอฟฟ์ (Oosterhoff groups) โดยกลุ่มที่สองจะมีดาวแปรแสงคาบยาวชนิดอาร์อาร์ไลเรเป็นสมาชิกอยู่ค่อนข้างน้อย[19] กระจุกดาวทั้งสองกลุ่มมีเส้นองค์ประกอบความเป็นโลหะค่อนข้างต่ำ แต่ดาวฤกษ์ในกลุ่มออสเตอร์ฮอฟฟ์ II (OoII) จะมีความเป็นโลหะต่ำกว่าแบบออสเตอร์ฮอฟฟ์ I (OoI)[19] ดังนั้นกระจุกดาวกลุ่มออสเตอร์ฮอฟฟ์ I จึงมักเรียกว่าเป็นแบบ "มีโลหะมาก" (metal-rich) ส่วนกลุ่มออสเตอร์ฮอฟฟ์ II จะถูกเรียกว่าแบบ "มีโลหะน้อย" (metal-poor)

มีการเฝ้าสังเกตสมาชิกกระจุกดาวทั้ง 2 กลุ่มนี้ในดาราจักรหลายแห่ง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในดาราจักรชนิดรีมวลมาก) ทั้ง 2 กลุ่มมีอายุพอ ๆ กัน (ซึ่งเก่าแก่พอ ๆ กันกับอายุของเอกภพ) มีความแตกต่างกันเพียงปริมาณส่วนประกอบทางโลหะเท่านั้น มีการตั้งแบบจำลองหลายแบบเพื่อพยายามอธิบายถึงลักษณะประชากรย่อยเหล่านี้ ซึ่งรวมไปถึงการเกิดรวมตัวกันของดาราจักรที่มีแก๊สมาก การรวมตัวกันของดาราจักรแคระ และรูปแบบการก่อตัวของดาวฤกษ์หลายแบบในดาราจักรเดี่ยว ในทางช้างเผือกของเรา กระจุกดาวแบบที่มีโลหะน้อยมีความเกี่ยวข้องกับดาราจักรฮาโล ส่วนกระจุกดาวแบบมีโลหะมากจะเกี่ยวข้องกับดุมดาราจักร[20]

สำหรับในทางช้างเผือก มีการค้นพบกระจุกดาวที่มีความเป็นโลหะต่ำอยู่เป็นจำนวนมากในบริเวณระนาบทางด้านนอกของกลดดาราจักร ข้อมูลนี้ช่วยสนับสนุนแนวคิดที่ว่า กระจุกดาวประเภท II ในดาราจักรเกิดจากการดึงดูดดาวฤกษ์มาจากดาราจักรข้างเคียง มิได้เป็นสมาชิกดั้งเดิมของระบบกระจุกดาวในทางช้างเผือกดังที่เคยเข้าใจกันมาแต่ก่อน นอกจากนี้ยังสามารถอธิบายความแตกต่างระหว่างกระจุกดาวทั้งสองประเภทได้ด้วยระยะเวลาที่ต่างกันซึ่งเป็นช่วงเวลาที่ดาราจักรแต่ละแห่งได้ให้กำเนิดระบบกระจุกดาวของมันขึ้นมา[21]

องค์ประกอบแปลกประหลาด

กระจุกดาวทรงกลมมีความหนาแน่นของดาวฤกษ์สูงมาก ดังนั้นจึงมีปฏิกิริยาระหว่างกันค่อนข้างสูงและบ่อยครั้งที่ดาวฤกษ์เกือบจะเกิดการปะทะกัน ผลจากการประจันหน้าอย่างใกล้ชิดนี้ จึงมีประเภทของดาวฤกษ์ประหลาดบางชนิดเกิดขึ้นเป็นปกติธรรมดาในกระจุกดาวทรงกลม เช่น ดาวแปลกพวกสีน้ำเงิน, millisecond pulsars และระบบดาวคู่รังสีเอ็กซ์มวลต่ำ ดาวแปลกพวกสีน้ำเงินเกิดขึ้นจากการรวมกันของดาวฤกษ์สองดวง ซึ่งอาจเป็นผลจากการประจันหน้ากับระบบดาวคู่[22] ดาวฤกษ์ที่ได้มานี้มีอุณหภูมิสูงกว่าดาวฤกษ์อื่นในกระจุกดาวที่มีขนาดความส่องสว่างเดียวกัน และมีความแตกต่างไปจากดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักที่เกิดขึ้นในตอนเริ่มก่อตัวของกระจุกดาว[23]

นักดาราศาสตร์พากันค้นหาหลุมดำภายในกระจุกดาวทรงกลมมาตั้งแต่คริสต์ทศวรรษ 1970 ซึ่งจำเป็นต้องได้ภาพที่มีความละเอียดค่อนข้างสูงมาก จึงมีเพียงผลที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเท่านั้นที่ช่วยยืนยันการค้นพบได้เป็นครั้งแรก ผลจากการสังเกตการณ์ด้วยกล้องฮับเบิลชี้ว่า อาจจะมีหลุมดำมวลปานกลางขนาดราว 4,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์อยู่ในกระจุกดาวทรงกลม M15 และหลุมดำขนาดราว 20,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ในกระจุกดาว Mayall II ในดาราจักรแอนดรอเมดา[24] ทั้งรังสีเอ็กซ์และคลื่นวิทยุที่ตรวจจับได้จากกระจุกดาว Mayall II ก็ล้วนสอดคล้องกันว่า น่าจะมีหลุมดำมวลปานกลางอยู่จริง[25]

นี่เป็นเรื่องน่าสนใจอย่างยิ่ง เพราะเป็นหลุมดำแห่งแรกที่พบว่ามีขนาดมวลปานกลาง อยู่ระหว่างหลุมดำจากดาวฤกษ์โดยทั่วไปกับหลุมดำมวลยวดยิ่งที่ค้นพบในใจกลางดาราจักร มวลของหลุมดำมวลปานกลางเหล่านี้เป็นสัดส่วนกันกับมวลของกระจุกดาว ตามรูปแบบที่เคยค้นพบมาก่อนหน้านี้ระหว่างมวลของหลุมดำมวลยวดยิ่งกับดาราจักรที่อยู่รอบ ๆ มัน

แต่การอ้างว่ามีหลุมดำมวลปานกลางอยู่นั้นยังมีอุปสรรคบางอย่าง เพราะวัตถุที่หนาแน่นที่สุดในกระจุกดาวน่าจะเคลื่อนเข้าไปสู่ใจกลางของกระจุกดาวตามหลักการพอกพูนมวล ซึ่งได้แก่ดาวแคระขาวและดาวนิวตรอนอันเป็นพลเมืองอายุมากในกระจุกดาวทรงกลม รายงานการวิจัย 2 ชิ้นของ โฮลเจอร์ บอมการ์ด และคณะ ชี้ว่า อัตราส่วนมวลต่อแสงที่ใจกลางของกระจุกดาวน่าจะต้องเพิ่มสูงขึ้นอย่างฉับพลัน ทั้งในกระจุกดาว M15[26] และกระจุกดาว Mayall II[27] แม้จะไม่มีหลุมดำเลยก็ตาม