miniaturadeimagen|derecha|300px|El cúmulo globular Messier 80 en la constelación de Escorpio está situado a unos 30 000 años luz del Sol y contiene cientos de miles de estrellas.
Un cúmulo globular es un conjunto casi esférico de estrellas que, por lo general, orbita un núcleo galáctico como si de un satélite se tratara. Las estrellas que constituyen los cúmulos globulares están muy unidas entre sí por la gravedad, lo que les da sus formas esféricas y densidades estelares relativamente altas cerca del centro. El nombre de esta categoría concreta de grupo de estrellas deriva del latín globulus, cuyo significado es el de ‘esfera pequeña’.
Los cúmulos globulares se encuentran fundamentalmente en la zona del llamado halo galáctico de una galaxia y contienen considerablemente más estrellas y son mucho más antiguos, por regla general, que los cúmulos abiertos, menos densos, que se encuentran dentro del mismo disco de una galaxia.
Los cúmulos globulares son bastante comunes en nuestra galaxia: existen alrededor de 150 a 158 cúmulos globulares conocidos actualmente en la Vía Láctea y, quizás, de 10 a 20 más aún por descubrir por estar situados tras el centro oscurecido por las cientos de miles de estrellas de nuestro propio núcleo galáctico y del polvo interestelar. Los cúmulos globulares orbitan nuestra galaxia a distancias medias habituales de 40 kiloparsecs (130 000 años luz) o más.
Las galaxias más grandes pueden tener aún más cúmulos globulares: así, la galaxia de Andrómeda, por ejemplo, podría llegar a tener hasta 500, aunque hoy se piensa que ambas galaxias son bastante similares en tamaño y su número de cúmulos debe ser similar. Algunas galaxias gigantes como las galaxias elípticas (particularmente aquellas en los centros de ciertos cúmulos galácticos) como M87, tienen como mínimo unos 13000 cúmulos globulares.
Cada galaxia de suficiente masa dentro de un grupo local tiene un conjunto asociado de cúmulos globulares y se ha descubierto que casi todas las galaxias grandes estudiadas poseen un sistema de cúmulos globulares. La galaxia elíptica enana de Sagitario y la discutida galaxia enana del Can Mayor, que forman parte de nuestro grupo local parecen estar en el proceso de donar sus propios cúmulos globulares asociados (como Palomar 12) a la propia Vía Láctea en un proceso de progresiva atracción gravitatoria. Este hecho permite inferir cuántos de los cúmulos globulares de nuestra galaxia podrían haber sido adquiridos en el pasado mediante este proceso.
Aunque parece que los cúmulos globulares contienen algunas de las primeras estrellas más antiguas que se generan en una galaxia, sus orígenes evolutivos y su papel en la evolución galáctica aún no están claros. Parece evidente que los cúmulos globulares son significativamente diferentes de las galaxias enanas elípticas y se crearon como parte de la formación estelar de la galaxia madre en lugar de como galaxias separadas.
Sobre un posible origen de los cúmulos globulares, en un artículo publicado el 5 de mayo de 2023 en la revista Astronomy and Astrophysics', los autores del mismo argumentan que los cúmulos globulares se formaron muy temprano en la historia del Universo, apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang, surgiendo alrededor de gigantescas estrellas supermasivas (con miles de veces la masa del Sol), pero de vidas muy cortas (apenas unos pocos millones de años), que agruparon, gracias a la gravedad, miles o decenas de miles de otras estrellas en formación progresiva, incluso cuando la estrella 'madre' supermasiva desapareció por su tipo de evolución estelar de corta duración, lo mismo que muchos agujeros negros podrían ser el origen de gran parte de las galaxias que nacieron a su alrededor.
Historia observacional
+ Primeros cúmulos globulares descubiertosNombre del cúmuloDescubierto porAñoM22Abraham Ihle1665ω CenEdmond Halley1677M5Gottfried Kirch1702M13Edmund Halley1714M71Philippe Loys de Chéseaux1745M4Philippe Loys de Chéseaux1746M15Jean-Dominique Maraldi1746M2Jean-Dominique Maraldi1746 El primer cúmulo globular conocido, ahora conocido como M22, fue descubierto en 1665 por Abraham Ihle, un astrónomo aficionado alemán. Sin embargo, dada la pequeña abertura de las lentes de los primeros telescopios, las estrellas individuales dentro de un cúmulo globular no fueron resueltas hasta que Charles Messier observó M4 en 1764. Los primeros ocho cúmulos globulares descubiertos se muestran en la tabla adjunta a la derecha. Posteriormente, Abbé Lacaille listaría a NGC 104, NGC 4833, M55, M69 y NGC 6397 en su catálogo de 1751-52. La M antes de un número se refiere al catálogo de Charles Messier, mientras que NGC pertenece al New General Catalogue de John Dreyer.
Cuando William Herschel comenzó su estudio integral del cielo utilizando grandes telescopios en 1782, había un total de 34 cúmulos globulares conocidos. Herschel descubrió otros 36 él mismo y fue el primero en resolver prácticamente todos ellos en estrellas. Él acuñó el término «cúmulo globular» en su Catálogo de las dos mil Nuevas Nebulosas y Cúmulos de Estrellas publicado en 1789.
El número de cúmulos globulares descubiertos continuó aumentando, alcanzando 83 en 1915, 93 en 1930 y 97 en 1947. Se han descubierto un total de 152 cúmulos globulares en la galaxia Vía Láctea, de un total estimado de 180 ± 20. Se cree que estos cúmulos globulares adicionales no descubiertos están ocultos detrás de las estrellas, del gas y el polvo del gran bulbo que constituye el centro de la Vía Láctea.
A partir de 1914, Harlow Shapley comenzó una serie de estudios de cúmulos globulares, publicados en unos 40 artículos científicos. Examinó las estrellas variables RR Lyrae en los cúmulos (que él supuso equivocadamente que eran estrellas cefeidas) y usó su relación período-luminosidad para estimar sus distancias. Más tarde, se encontró que las variables RR Lyrae son más débiles que las Cefeidas, lo que provocó que Shapley sobreestimara las distancias de dichos cúmulos globulares.
izquierda|miniaturadeimagen|NGC 7006 es un cúmulo globular de alta concentración de Clase I. De los cúmulos globulares que pertenecen a la Vía Láctea, la mayoría se encuentran orbitando en un halo alrededor del núcleo galáctico, y la gran mayoría de ellos se encuentran centrados en torno al núcleo. En 1918, esta distribución fuertemente asimétrica fue utilizada por Shapley para hacer una determinación de las dimensiones generales de nuestra galaxia. Al asumir una distribución aproximadamente esférica de los cúmulos globulares alrededor del centro de la galaxia, utilizó las posiciones de los cúmulos para estimar la posición del Sol con relación al centro galáctico. Si bien su estimación de distancia tenía un error significativo (aunque dentro del mismo orden de magnitud que el valor actualmente aceptado), demostró que las dimensiones de la galaxia Vía Láctea eran mucho mayores de lo que se había pensado anteriormente. Su error inicial fue debido a ignorar la existencia del polvo interestelar dentro de las galaxias, que absorbe y disminuye la cantidad de luz de los objetos distantes que llega a la Tierra, como es el caso de los cúmulos globulares, lo que hace que parezcan más lejanos de lo que realmente son porque su luz real emitida se diluye en la lejanía.
Las mediciones de Shapley también indicaron que el Sol está relativamente lejos del centro de la galaxia, también en contra de lo que se había inferido previamente en la distribución aparentemente uniforme de las estrellas ordinarias.
En realidad, la mayoría de las estrellas «ordinarias» se encuentran dentro del disco de la galaxia y las estrellas que se encuentran en la dirección del centro galáctico y más allá están oscurecidas por el gas y el polvo, mientras que los cúmulos globulares se encuentran fuera del disco y pueden verse a distancias mucho mayores.
Clasificación de los cúmulos globulares
Posteriormente, Shapley fue asistido en sus estudios de cúmulos globulares por Henrietta Swope y Helen Battles Sawyer. Entre 1927 y 1929, Shapley y Sawyer categorizaron grupos de cúmulos de acuerdo con el grado de concentración que cada sistema tiene hacia su núcleo. Los cúmulos más concentrados se identificaron como de Clase I, con concentraciones cada vez menores que van hasta la Clase XII. Esto se conoce como la Distribución de concentración de Shapley-Sawyer (a veces aparecen con números [Clase 1 a 12] en lugar de utilizarse los números romanos).
En 2015, se propuso un nuevo tipo de cúmulo globular sobre la base de los nuevos datos observacionales: el cúmulo globular oscuro. Este tipo de cúmulo globular ha sido recientemente descubierto en la galaxia gigante Centaurus A y se considera inusual ya que puede albergar cantidades inesperadas de materia oscura o de agujeros negros masivos.
Formación
derecha|miniaturadeimagen|NGC 2808 contiene tres generaciones diferentes de estrellas. NASA image
La formación de cúmulos globulares sigue siendo un fenómeno poco conocido y sigue siendo incierto si las estrellas de un cúmulo globular se forman en una sola generación o si se crean a lo largo de varias generaciones durante un período de varios cientos de millones de años. En muchos cúmulos globulares, la mayoría de las estrellas se encuentran aproximadamente en la misma etapa de su evolución estelar, lo que sugiere que se formaron aproximadamente al mismo tiempo. Sin embargo, el historial de formación de estrellas varía de un cúmulo a otro, con algunos grupos de éstos que muestran distintas poblaciones de estrellas. Un ejemplo de ello son los cúmulos globulares en la Gran Nube de Magallanes (LMC), una galaxia local de nuestro propio grupo, que muestran una población bimodal. Durante su juventud, estos cúmulos de LMC pueden haber encontrado en su trayectoria nubes masivas de gas y partículas que desencadenaron una segunda ronda de formación de estrellas debido a la atracción gravitatoria. Este período de formación estelar es relativamente breve, en comparación con la edad de muchos cúmulos globulares. También se ha propuesto que la razón de esta multiplicidad en las poblaciones estelares podría tener un origen dinámico. En las galaxias Antennae (NGC 4038 y NGC 4039), por ejemplo, el Telescopio Espacial Hubble ha permitido observar cúmulos globulares en ciertas regiones en la galaxia que abarcan cientos de parsecs, donde muchos de los cúmulos colisionarán finalmente y se fusionaron entre sí. Muchos de ellos presentan un rango significativo de diferentes edades, posiblemente debido a sus distintas metalicidades, y su fusión podría llevar a agrupaciones con una distribución bimodal o incluso a una múltiple distribución de poblaciones estelares. miniaturadeimagen|izquierda|El cúmulo globular Messier 54. Las observaciones de cúmulos globulares muestran que estas formaciones estelares surgen principalmente en regiones de formación estelar eficiente y donde el medio interestelar tiene una densidad más alta que en las regiones normales de formación de estrellas. La formación de cúmulos globulares es frecuente en las regiones denominadas starburst y en las galaxias que interactúan entre sí. Las investigaciones indican una correlación entre la masa de un agujero negro supermasivo en el centro de las galaxias (SMBH) y la extensión de los sistemas de cúmulos globulares de las galaxia elípticas y de las galaxias lenticulares. Curiosamente, la masa del centro de dichas galaxias suelen tener la misma suma de la masa combinada de los cúmulos globulares de las mencionadas galaxias.