ستاره‌شناسان تاکنون ۴۲ کهکشان عضو این خوشه را شناسایی کرده‌اند، اما احتمالاً تعداد آنها تا ۱۰۰۰ کهکشان هم برسد. به‌دلیل اندازه و سن این خوشه، انتظار می‌رود که این خوشه به‌طور کامل از فرآیندهای فعال تشکیل ستاره‌ای که مختص کهکشان‌های جوان است، خارج شده باشد.
اما این‌طور نیست.
تشکیل ستاره به گاز سرد و متراکم نیاز دارد. گاز داغ در برابر فروپاشی به هسته‌های ستاره‌ای مقاوم است که سپس به پروتواستار و در نهایت به ستاره‌های رشته اصلی تبدیل می‌شوند. کهکشان‌ها و خوشه‌های کهن یا گاز سرد خود را مصرف کرده‌اند یا آن را از دست داده‌اند. این کهکشان‌ها به “کهکشان‌های خاموش” معروف هستند. از نظر تشکیل ستاره، کهکشان‌ها می‌توانند به دو دسته تقسیم شوند: رشته قرمز، که به کهکشان‌های کهنه و خاموش اطلاق می‌شود، و ابر آبی، که نشان‌دهنده تشکیل ستاره‌های فعال‌تر است.
کهکشان مرکزی خوشه‌ی فنیکس حدود ۵.۸ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد و انتظار می‌رود که بیشتر فرآیند تشکیل ستاره در آن به پایان رسیده باشد. بسیاری از خوشه‌های کهکشانی دارای ناحیه‌ای از گاز داغ در محیط میان‌خوشه‌ای (ICM) هستند. در یک کهکشان معمولی، این گاز سرد می‌شود و به تشکیل ستارگان کمک می‌کند. اما مشاهدات نشان می‌دهند که نرخ تشکیل ستاره در این کهکشان‌ها به‌طور شگفت‌انگیزی پایین است و هیچ مدرکی از گاز سرد وجود ندارد. ستاره‌شناسان به این تناقض، “مشکل جریان سرد” می‌گویند و این سوال را مطرح می‌کند: چرا محیط میان‌خوشه‌ای (ICM) سرد نمی‌شود و ستارگان جدید تشکیل نمی‌دهد؟
پاسخ غالب به این سوال این است که جت‌های سیاه‌چاله‌های مرکزی فعال کهکشانی، گاز را گرم کرده و از تشکیل ستارگان جلوگیری می‌کنند.
کهکشان مرکزی خوشه‌ی فنیکس باید بیشتر فرآیند تشکیل ستاره را پشت سر گذاشته باشد. با این حال، هسته‌ای بسیار روشن دارد که مشخصه‌ی تشکیل ستاره‌های شدید است. به‌طور معجزه‌آسا، خوشه‌ی فنیکس منبعی از گاز سرد دارد که باعث ایجاد ستارگان جدید می‌شود. آیا این گاز به‌طور خودکار تولید شده است؟ آیا از کهکشان‌های جوان‌تر به آن وارد می‌شود؟
در یک تحقیق جدید، دانشمندان از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) برای کاوش در قلب خوشه استفاده کردند. آنها این کار را به‌دلیل مشاهدات قبلی با تلسکوپ‌های دیگر انجام دادند که نشان می‌دادند هسته‌ی خوشه به‌طور غیرمنتظره‌ای روشن است و این نشانه‌ای از تشکیل ستارگان شدید است. از آنجا که این موضوع با آنچه ستاره‌شناسان درباره‌ی خوشه‌هایی مانند این می‌دانستند، در تضاد بود، کنجکاوی آنها برانگیخته شد.
تحقیقات منتشرشده در مجله Nature با عنوان “تصویرسازی مستقیم جریان سرد در خوشه فنیکس” است. نویسنده‌ی اصلی این تحقیق مایکل ریف است که دانشجوی دکتری فیزیک در موسسه‌ی کاولی برای نجوم و تحقیقات فضایی MIT است.
مایکل مک‌دونالد، استاد یار فیزیک در MIT و همکار نویسنده‌ی این تحقیق، تیم تحقیقاتی را رهبری کرد که خوشه‌ی فنیکس را در سال ۱۳۸۸ با استفاده از تلسکوپ قطب جنوب کشف کردند. دو سال بعد، آنها دوباره با تلسکوپ‌های متعدد به آن مشاهداتی داشتند. آنها متوجه شدند که کهکشان مرکزی در این خوشه به‌طور غیرمنتظره‌ای روشن است به دلیل تشکیل ستارگان شدید. محققان گفتند که ممکن است تا ۱۰۰۰ ستاره در هر سال در حال تشکیل باشد، عددی شگفت‌انگیز در مقایسه با کهکشان راه شیری که به‌طور متوسط کمتر از ۱۰ ستاره در سال تشکیل می‌دهد، طبق برخی تحقیقات.
در مشاهدات قبلی، ستاره‌شناسان برخی گازهای بسیار داغ و برخی گازهای بسیار سرد را در خوشه‌ی فنیکس پیدا کرده‌اند. آنها توده‌هایی از گاز فوق‌العاده داغ با دمای حدود ۱ میلیون درجه فارنهایت و نواحی از گاز بسیار سرد با دمای تنها ۱۰ کلوین، یا ۱۰ درجه بالاتر از صفر مطلق، را مشاهده کرده‌اند. گاز داغ چیز عجیبی نیست، زیرا سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم (SMBHs) می‌توانند جت‌های انرژی‌بالا تولید کنند که می‌توانند گاز را گرم کنند. زمانی که یک کهکشان جوان است، بخشی از این گاز سرد شده و به تشکیل ستارگان کمک می‌کند. کهکشان مرکزی خوشه‌ی فنیکس نیز مقداری گاز سرد دارد. مشاهدات قبلی نشان دادند که گاز گرم میان‌گاز، که به‌طور معمول وجود دارد، یافت نشد که این عجیب است. آیا پاسخی برای مشکل جریان سرد در خوشه‌ی فنیکس وجود دارد؟
محققان استدلال کردند که اگر کهکشان مرکزی فنیکس به‌نوعی گاز سرد شناسایی‌شده را تولید می‌کند، پس باید گاز گرم میان‌گازی بین گاز داغ و سرد وجود داشته باشد. اینجاست که تلسکوپ فضایی جیمز وب وارد می‌شود.
تلسکوپ فضایی جیمز وب با قابلیت‌های قدرتمند مادون قرمز خود، گاز گرم را شناسایی کرد. این نشان می‌دهد که خوشه قادر به تولید گاز سرد مورد نیاز برای تشکیل ستارگان است، زیرا گاز گرم نشانه‌ای از گذار بین دمای شدید است.
مشاهدات جدید JWST، که بر اساس تابش‌های نئون انجام شد، نخستین نقشه مقیاس بزرگ گاز در دماهای بین ۱۰۰,۰۰۰ و ۱,۰۰۰,۰۰۰ کلوین در خوشه فنیکس را ارائه دادند. آنها از طیف‌سنج با وضوح میانه روی MIRI استفاده کردند و ۱۲ ساعت داده مادون قرمز جمع‌آوری کردند. آنها به دنبال طول موج خاصی از نور تابیده‌شده از نئون در حدود ۳۰۰,۰۰۰ کلوین، یا ۵۴۰,۰۰۰ فارنهایت بودند. این نشان‌دهنده حضور گاز گرم میان‌گاز است که نشانه‌ای از جریان سرد است.
به‌طور بحرانی، تابش نئون با ویژگی‌های دیگر مانند سردترین گاز و مناطق تشکیل ستارگان فعال هم‌مکان است. این نشان‌دهنده‌ی ارتباط مستقیم میان گاز میان‌گاز، خنک شدن آن و تشکیل ستارگان است.
مایکل ریف، نویسنده‌ی اصلی، در یک بیانیه‌ی مطبوعاتی گفت: “این گاز با دمای ۳۰۰,۰۰۰ درجه مانند یک تابلو نئون است که در طول موج خاصی از نور می‌درخشد و ما می‌توانستیم دسته‌ها و رشته‌های آن را در سرتاسر میدان دید خود مشاهده کنیم. شما می‌توانستید آن را در همه‌جا ببینید.”
“برای اولین بار، ما تصویر کاملی از فازهای داغ-گرم-سرد در تشکیل ستاره‌ها داریم که هیچ‌گاه در هیچ کهکشان دیگری مشاهده نشده است.”
اینکه ستاره‌شناسان نتوانستند گاز گرم میان‌گاز را در خوشه‌ی فنیکس مشاهده کنند، به این معنی نیست که این گاز آنجا نبوده است. JWST بهترین نگاه را به کهکشان‌ها به محققان می‌دهد و جزئیاتی را که پیش‌تر پنهان بوده‌اند آشکار می‌کند. با این حال، سوالی که باید پرسیده شود این است که آیا خوشه‌ی فنیکس خاص است؟ آیا JWST گاز گرم میان‌گاز را در کهکشان‌های دیگر پیدا خواهد کرد؟
مک‌دونالد، همکار نویسنده، اضافه کرد: “سوال اکنون این است که چرا این سیستم؟ این انفجار عظیم ستاره‌ای ممکن است چیزی باشد که هر خوشه‌ای در نقطه‌ای از زمان تجربه کند، اما ما اکنون تنها در یک خوشه این را مشاهده می‌کنیم.”
“قبل از فنیکس، پرستاره‌ترین خوشه کهکشانی در جهان حدود ۱۰۰ ستاره در سال داشت و حتی آن هم یک استثنا بود. عدد معمول حدود یکی است.”
این سوال ما را به یکی از سوالات بی‌پاسخ درباره کهکشان‌های قدیمی می‌رساند. آنها باید خاموش یا “قرمز و مرده” باشند، اما همه‌ی آنها این‌طور نیستند. این گاز سرد از کجا آمده است؟ آیا از بیرون این کهکشان‌ها آمده است؟
