Für den Astronomen Joseph Hennawi und seine Kollegen war es ein Gefühl, als hätten sie den Jackpot im Lotto gewonnen: Bei der Beobachtung einer gewaltigen Gaswolke im fernen Weltraum war das Forscherteam auf gleich vier Quasare gestoßen (Hennawi et al., 2015). Quasare sind extrem helle Kerne von Galaxien – und sehr selten im Kosmos: Typischerweise liegen sie viele Hundert Millionen Lichtjahre weit auseinander. Zwar kennen die Himmelsforscher insgesamt mehr als 500.000 dieser Objekte, aber darunter sind gerade einmal hundert Doppel- und nur eine Handvoll Dreifach-Quasare.

Und nun ein Quasar-Quartett? Damit hatte niemand gerechnet! Passend tauften die Forscher vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und der ETH Zürich die von ihnen ins Visier genommene Gaswolke "Jackpot-Nebel". Und rätseln seither, ob ihre Entdeckung tatsächlich einfach nur ein glücklicher Zufall ist – oder ob sie auf bislang unbekannte Phänomene bei der Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen hindeutet.   

Jede große Galaxie enthält in ihrem Zentrum ein gewaltiges Schwarzes Loch mit der millionen- oder gar milliardenfachen Masse unserer Sonne. Wie diese Schwerkraftmonster entstanden sind, ist eines der großen Rätsel der modernen Astrophysik. Sicher ist aber, dass sie eine wichtige Rolle für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielen. Fällt Materie aus der Umgebung in die Schwarzen Löcher hinein, so leuchten die Galaxienzentren hell als Quasar auf. Doch dieses Aufflammen ist nur von kurzer Dauer, deshalb findet man im Kosmos sehr viel weniger Quasare als Galaxien.

Was genau die Quasare zum Aufleuchten bringt, wissen die Astronomen nicht. Ein Auslöser könnte die enge Begegnung von Galaxien sein: Kommen sie sich nahe, wirken zwischen ihnen Gezeitenkräfte. Diese könnten dazu führen, dass große Mengen an Gas in die Schwarzen Löcher getrieben werden. Die Blütezeit der Quasar-Aktivität liegt etwa zehn bis elf Milliarden Jahre zurück. Damals war der Kosmos noch erheblich kleiner – ein vergleichbares Raumvolumen enthielt etwa dreißig Mal mehr Galaxien als heute – und entsprechend häufiger sollte es zu engen Begegnungen gekommen sein. 

Manche Quasare sind von großen Wolken aus kühlem Wasserstoff-Gas umgeben. Daher vermuten Forscher, dass auch diese Wolken mit dem Aufleuchten der rätselhaften Objekte zu tun haben könnten. Hennawi und seine Kollegen haben mit dem großen Keck-Teleskop auf Hawaii 29 Quasare beobachtet, um dieser Hypothese nachzugehen. Dazu haben die Forscher gezielt Objekte ausgewählt, deren Licht etwa 10,5 Milliarden Jahre bis zur Erde unterwegs ist. Die Forscher sehen die leuchtenden Galaxienkerne also so, wie sie vor 10,5 Milliarden Jahren, zur Blütezeit der Quasare, ausgesehen haben. 

Der Nebel, in dem die vier Quasare entdeckt wurden, hat eine Ausdehnung von einer Million Lichtjahren. © Hennawi/Arrigoni-Battaia/MPIA

Bei einem der Quasare – er trägt die prosaische Katalognummer SDSS J0841+3921 – stieß das Team tatsächlich auf eine große, kühle Gaswolke. Und dann kam die Überraschung: Die weiteren Beobachtungen dieser Gaswolke zeigten, dass sie nicht nur einen, sondern gleich vier Quasare enthält. "Können wir tatsächlich das Glück haben, bei der Untersuchung von nur 29 Quasaren auf das einzige Quasar-Quartett im Universum gestoßen zu sein?" fragt sich Team-Mitglied Sebastiano Cantalupo. An solche Zufälle mag ein Naturwissenschaftler nicht glauben. "Wenn es aber kein Zufall ist", sagt Hennawi, "dann muss irgendetwas das Auftreten von solchen Mehrfach-Quasaren wahrscheinlicher machen, als wir es erwarten."

Das Gas im Jackpot-Nebel wirft Rätsel auf

Und tatsächlich zeigen die Beobachtungen der Forscher auch, dass der Jackpot-Nebel und seine Quasare sich in einer ungewöhnlich dichten Region des Kosmos befinden: Sie enthält hundert Mal mehr Galaxien, als im Mittel zu erwarten. Die Astronomen vermuten, dass dort ein Super-Galaxienhaufen entsteht. Bei derart vielen Galaxien auf engem Raum sind auch enge Begegnungen häufiger – und das wiederum macht auch das Aufleuchten von Quasaren wahrscheinlicher.  

Doch mit diesem Szenario stehen die Astronomen vor einem neuen Problem: Dass einzelne Quasare von kühlen Gaswolken umgeben sein können, stimmt zwar mit den bekannten Modellen der Galaxieentstehung überein. Bei ganzen Gruppen von Galaxien ist der Fall aber anders gelagert. "Unsere heutigen Modelle der kosmischen Strukturbildung sagen vorher, dass massereiche Strukturen – also Galaxienhaufen – im frühen Universum mit extrem dünnem Gas gefüllt sein sollten, bei Temperaturen von rund zehn Millionen Grad", erläutert Cantalupo. "Das Gas im Jackpot-Nebel ist im Vergleich dazu tausend Mal dichter und tausend Mal kühler." 

Das Quasar-Quartett ist also mehr als nur eine astronomische Kuriosität – und vielleicht wirklich ein Jackpot für die Forscher. "Unsere Beobachtungen deuten auf einen bislang unbekannten Zusammenhang zwischen großen, kühlen Wasserstoff-Wolken, Quasaren und entstehenden Galaxienhaufen", fasst Hennawi zusammen. Und die bisherigen Modelle der kosmischen Entwicklung liefern für diesen Zusammenhang keine Erklärung. "Extrem seltene Ereignisse haben die Macht, lang gediente Theorien auf den Kopf zu stellen", so Hennawi weiter. Das Quasar-Quartett zwingt die Kosmologen dazu, ihr heutiges Bild von der Entstehung von Quasaren und Super-Galaxienhaufen zu überdenken.