Wenn das scheinbar Unmögliche passiert: Rätseln über die Entdeckung des ersten Quasar-Quartet

Das Quartett befindet sich in einer der massereichsten Strukturen, die je im fernen Universum nachgewiesen wurden, und ist von einem Nebel aus kaltem Gas umgeben. Handelt es sich nicht um eine Zufallsentdeckung, Wahrscheinlichkeit eins zu zehn Millionen, müssten die Kosmologen ihre Modelle der Entwicklung der Quasare und der großräumigen kosmischen Strukturen noch einmal überdenken. Die Ergebnisse erscheinen am 15. Mai 2015 in der Fachzeitschrift Science.

Im Lotto zu gewinnen ist unwahrscheinlich genug. Aber wer vier Mal hintereinander im Lotto gewinnt, wird sich vermutlich fragen, ob das noch mit rechten Dingen zugeht. In genau dieser Situation befindet sich ein Team von Astronomen unter der Leitung von Joseph Hennawi vom Max-Planck-Institut für Astronomie. Die Wissenschaftler entdeckten das erste bekannte Quasar-Quartett: vier Quasare, jeder für sich genommen bereits ein äußerst seltenes Objekt, in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander.

Quasare sind eine vergleichsweise kurze Phase in der Galaxienentwicklung, angetrieben vom Einfall von Materie auf das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie. Während dieser Phase gehört der Galaxienkern zu den hellsten Objekten im Universum überhaupt – er sendet mehr als hundert Mal mehr Licht aus als der gesamte Rest der Galaxie mit seinen immerhin bis zu hunderten von Milliarden von Sternen. Weil Quasare so selten ist, liegen die bekannten Exemplare weit voneinander entfernt, mit typischen Abständen von einigen hunderten Millionen von Lichtjahren. Die Wahrscheinlichkeit, durch Zufall ein Quasar-Quartett zu finden, schätzen die Forscher auf eins zu zehn Millionen.

Wie kam es trotz der geringen Wahrscheinlichkeit zu dieser Entdeckung? Hier dürften die besonderen Eigenschaften der Raumregion ins Spiel kommen, in der die Quasare gefunden wurde. Sie sind in einen sogenannten Lyman-α -Nebel eingebettet, eine gigantische Wolke von kühlem, vergleichsweise dichten Wasserstoffgas, die durch die Strahlung der Quasare selbst zum Leuchten angeregt wird – Hennawi und Kollegen tauften dieses Gebilde den „Jackpot-Nebel“, nachdem sie die vier Quasare gefunden hatten. Außerdem enthält die betreffende Raumregion besonders viel Materie. J. Xavier Prochaska von der University of California Santa Cruz, Hauptantragsteller bei den Beobachtungen mit dem Keck-Teleskop, die zur Entdeckung führten, sagt: „Diese Raumregion enthält mehrere hundert Mal so viele Galaxien, wie man in dieser Distanz erwarten würde.“

Mit dieser ungewöhnlich großen Zahl an Galaxien ähnelt das System den Galaxienhaufen, in denen im heutigen Universum bis zu tausend Galaxien zusammengeschlossen sein können. Allerdings ist die Raumregion soweit von uns entfernt, dass ihr Licht mehr als 10 Milliarden Jahre benötigt hat, um uns zu erreichen. Das Bild zeigt uns diese Region daher so, wie sie vor mehr als 10 Milliarden Jahren aussah, weniger als 4 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Es handelt sich demnach um einen Proto-Galaxienhaufen, Vorläufer eines der massereichsten Galaxienhaufen im heutigen Universum.

Bei ihren Versuchen, ihren unwahrscheinlichen Zufallsfund zu verstehen, versuchten die Astronomen, alle diese ungewöhnlichen Eigenschaften miteinzubeziehen. Hennawi erklärt: „Wenn man etwas entdeckt, das dem heutigen Wissensstand nach extrem unwahrscheinlich ist, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder man hatte einfach nur gewaltiges Glück, oder es ist Zeit, die gängigen Theorien noch einmal genau unter die Lupe zu nehmen.“ Die Forscher vermuten, dass es physikalische Prozesse gibt, die die Bildung von Quasaren unter bestimmten kosmischen Umweltbedingungen stark begünstigen.

Zahlreiche theoretische Modelle sagen vorher, dass Quasar-Aktivität ausgelöst werden sollte, wenn Galaxien zusammenstoßen und miteinander verschmelzen; solche gewaltsamen Wechselwirkungen, so die Argumentation, könnten höchst effektiv Gas in das zentrale Schwarze Loch umlenken. Derartige Zusammenstöße sollten in einem dichten Protohaufen voller Galaxien deutlich wahrscheinlicher sein als anderswo – analog dazu, dass es auf einem überfüllten Marktplatz ungleich wahrscheinlicher ist, von einem anderen Menschen angerempelt zu werden, als auf einem menschenleeren Feld.

Fabrizio Arrigoni-Battaia, ein Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie, der an der Entdeckung beteiligt war, sagt: „Auch der gigantische Emissionsnebel dürfte ein wichtiger Puzzlestein sein, denn er zeigt, dass es dort eine gewaltige Mengen an dichtem, kühlen Gas gibt.“ Supermassereiche Schwarze Löcher werden nur dann zu Quasaren, wenn hinreichend viel Gas auf das Schwarze Loch fällt, und dafür wiederum könnte eine Umgebung, die zumindest auf großen Größenskalen reich an dem nötigen Gas ist, günstige Bedingungen bieten.

Andererseits würde man dem heutigen Verständnis von Strukturbildung im Universum nicht erwarten, dass ein Protohaufen als Lyman-α-Nebel in Erscheinung tritt. Sebastiano Cantalupo von der ETH Zürich, einer der Koautoren, sagt: „Unsere heutigen Modelle der kosmischen Strukturbildung sagen aufgrund von Supercomputer-Simulationen vorher, dass massereiche Strukturen im frühen Universum mit extrem dünnen Gas gefüllt sein sollten, mit Temperaturen von rund 10 Millionen Gas. Das Gas im Jackpot-Nebel ist im Vergleich dazu tausend Mal dichter und tausend Mal kühler.“

Hennawi fügt hinzu: „Extrem seltene Ereignisse haben die Macht, langgediente Theorien auf den Kopf zu stellen“. In diesem Sinne könnte auch die Entdeckung des ersten Quasar-Quartetts die Kosmologen dazu zwingen, das heutige Bild von der Entstehung von Quasaren und der massereichsten Strukturen im Universum zu überdenken.

Kontakt

Joe Hennawi (Erstautor)
Max-Planck-Institut für Astronomie
Telefon: (+49|0) 6221 528-263
E-Mail: joe@mpia.de

J. Xavier Prochaska (Koautor)
UCO Lick Observatory/University of California Santa Cruz
Telefon:+1 813 459 2135
E-Mail: xavier@ucolick.org

Markus Pössel (Öffentlichkeitsarbeit)
Telefon: (+49|0) 6221 528-261
E-Mail: pr@mpia.de

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind veröffentlicht als Hennawi et al., ““Quasar Quartet Embedded in Giant Nebulae Reveals Rare Massive Structure in Distant Universe” in der Ausgabe vom 15. Mai 2015 der Fachzeitschrift Science.

Weitere Informationen, inklusive des Fachartikels selbst können im Science Press Package online abgerufen werden auf http://www.eurekalert.org/jrnls/sci . Dazu sind Zugangsdaten für EurekAlert erforderlich.

Die beteiligten Astronomen sind Joseph F. Hennawi (Max-Planck-Institut für Astronomie), J. Xavier Prochaska (University of California at Santa Cruz), Sebastiano Cantalupo (University of California at Santa Cruz und ETH Zürich) und Fabrizio Arrigoni-Battaia (Max-Planck-Institut für Astronomie).

Die genutzten Daten wurden am W.M. Keck Observatory aufgenommen, das als wissenschaftliches Kooperationsprojekt vom California Institute of Technology, der University of California und der NASA betrieben wird. Das Observatorium verdankt seine Existenz der großzügigen finanziellen Unterstützung der W.M. Keck-Stiftung.

Die Autoren möchten auf die wichtige kulturelle und spirituelle Rolle hinweisen, die der Gipfel des Maunakea für die Nachfahren der ursprünglichen Hawaiianer spielt. Sie schätzen sich glücklich, von diesem Berg aus beobachten zu dürfen.

Fragen und Antworten

Was ist neu / ungewöhnlich an dieser Entdeckung?
Zunächst einmal die äußerst geringe Wahrscheinlichkeit, zufällig auf ein Quasar-Quartett zu treffen.Bereitsder Fall, zwei Quasare in unmittelbarer Nachbarschaft zu finden, ist sehr selten: Unter den mehr als 500.000 Quasaren, die Astronomen bislang identifiziert haben, finden sich nur rund 100 solcher Doppelquasare. Entsprechend groß war die Überraschung, als ein Team aus US-amerikanischen und Schweizer Astronomen 2007 die Entdeckung des ersten Tripel-Quasars bekanntgab – drei Quasare in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander. Die Entdeckung des Vierfach-Quasars durch Hennawi und seine Kollegen verschärft die Situation noch einmal deutlich. Auf Basis des heutigen Verständnisses von Quasarhäufigkeiten und der großräumigen Verteilung von Materie im Universum haben die Forscher die Wahrscheinlichkeit, einen Vierfachquasar zu finden, auf eins zu zehn Millionen geschätzt.

Sollte es sich nun aber nicht um einen Zufallsfund handeln – worin besteht dann die Erklärung für das Quasar-Quartett? Hier kommen die Eigenschaften der Raumregion ins Spiel, in welcher die Quasare eingebettet sind. Wie beschrieben befindet sich der Quasar in einem extrem hellen Lyman-α-Nebel, bei dem es sich gleichzeitig um einen Proto-Galaxienhaufen handelt. Wir sehen dieses Objekt in demjenigen Zustand, den es hatte, als das Universum weniger als ein Drittel so alt war wie heute.

Wie im Text ausgeführt, könnte in dieser Kombination die Erklärung dafür liegen, warum es überhaupt so etwas so ungewöhnliches wie ein Quasar-Quartett gibt: Dann nämlich, wenn genau diese Art von Umgebung, mit für kosmische Maßstäbe dicht gedrängten Galaxien und viel kühlem Gas, überdurchschnittlich viele Quasare hervorbringt. Wie ebenfalls erwähnt, stellt diese Kombination andererseits auch selbst ein Rätsel dar. Dem heutigen Verständnis der Strukturbildung nach würde man nicht erwarten, einen Protohaufen zu finden, der gleichzeitig ein Lyman-α-Nebel ist.

Offenbar haben wir es beim Quasar-Quartett mit etwas durchaus Ungewöhnlichem zu tun: entweder mit einem sehr unwahrscheinlichen Zufallsfund, oder einem Phänomen, das nach einer Erklärung verlangt, wie und in welcher Umgebung solche Mehrfachquasare bevorzugt entstehen. Die Quasar-Umgebung selbst – sowohl Protohaufen als auch Lyman-α-Nebel – weist auf Probleme mit dem heutigen Verständnis von Galaxienentstehung hin.

Was sind Quasare, und warum sind sie so selten?
Quasare sind eine vergleichsweise kurze Phase in der Galaxienentwicklung, angetrieben vom Einfall von Materie auf das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie. Während dieser Phase gehört der Galaxienkern zu den hellsten Objekten im Universum überhaupt – er sendet mehr als hundert Mal mehr Licht aus als der gesamte Rest der Galaxie mit seinen immerhin bis zu hunderten von Milliarden von Sternen. Astronomen gehen davon aus, dass supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien die Regel sind – mit Massen, die zwischen einigen Millionen und einigen Milliarden Sonnenmassen betragen können. Materie, die auf das Schwarze Loch fällt, sammelt sich typischerweise in einer schnell rotierenden Materiescheibe (Akkretionsscheibe) in unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Lochs, bevor sie auf Nimmerwiedersehen im Schwarzen Loch verschwindet. Materie in der rotierenden Scheibe kann Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeiten und Temperaturen bis zu Millionen von Grad erreichen und sendet gewaltige Mengen an Licht aus.

Zur Blütezeit von Quasar-Aktivitäten in Galaxien war das Universum nur rund ein Fünftel so alt wie heute. Heutzutage finden wir zwar im Zentrum aller massereichen Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher. Diese sind allerdings mit nur wenigen Ausnahmen inaktiv, sprich: es fließen derzeit keine nennenswerten Mengen an Gas in diese Löcher. Bis diese Schwarzen Löcher ihre heutige Masse erreicht haben, muss freilich eine entsprechend große Menge an Materie hineingefallen sein. Den derzeitigen Wachstumsmodellen fand ein beträchtlicher Anteil des Massenzuwachses während der Quasar-Phase der Galaxie statt. Die physikalischen Prozesse, aus denen sich ergibt, unter welchen Bedingungen ein supermassereiches Schwarzes Loch zum Quasar wird, sind noch nicht ausreichend verstanden. Eine wichtige Rolle dürfte die Logistik spielen: um eine Quasar-Episode zu zünden, muss eine große Menge von Gas in die Kernregionen der Galaxie gelangen, hinreichend nahe an das Schwarze Loch, um dessen Anziehungskraft zu spüren.

Alle supermassereichen Schwarzen Löcher in massereichen Galaxien sollten in einem bestimmten Entwicklungsstadium zu Quasaren geworden sein. Allerdings hält die Quasar-Aktivität nur rund 10 Millionen Jahre lang an. Verglichen mit den zehn Milliarden Jahren, die typische Galaxien alt sind, ist das ein sehr kleiner Zeitraum. Beobachten wir einen Quasar, dann erwischen wir damit eine Galaxie in einem zeitlich sehr begrenzten Abschnitt ihres Lebens. Das erklärt, warum man bei Himmelsbeobachtungen nur sehr selten auf diese Art von Objekt trifft.

Wie kam es zur Entdeckung des Quasar-Quartetts?
Einige Hinweise gibt die Art und Weise, wie das ungewöhnliche Quasar-Quartett entdeckt wurde. Hennawi und seine Kollegen waren auf der Suche nach sogenannten Lyman-α-Nebeln (gesprochen “Lyman-Alpha-Nebel”). Ist ein Quasar von einem großen Reservoir aus kühlem Wasserstoffgas umgeben, dann kann seine intensive Strahlung wie eine Art kosmischer Scheinwerfer wirken, das umgebende Gas anleuchten und so seine Struktur offenbaren. Unter dem starken Licht des Quasars sendet das Wasserstoffgas dann auch selbst Licht aus, analog dazu, wie das Gas einer Leuchtstoffröhre zum eigenen Leuchten angeregt wird (Fluoreszenz). Im Falle von Leuchtstoffröhren erfolgt die Anregung durch elektrischen Strom, während es bei Lyman-α-Nebeln die intensive Strahlung des Quasars ist, die dem Gas Energie zuführt (vgl. die MPIA-Wissenschaftsmeldung 1/2014).

Um neue Lyman-α-Nebel zu finden, hatten die Astronomen zunächst die Spektren von 29 vielversprechenden Quasaren begutachtet und darin nach Spuren von diffuser, großräumiger Strahlung Ausschau gehalten, wie sie zum Leuchten angeregtes Gas aussendet. Einer der Quasare, der die Katalognummer SDSSJ0841+3921 trägt, zeigte in der Tat vielversprechende Anzeichen solcher Spuren. Dieser Quasar wurde anschließend mit der Spektrograf-Kamera-Kombination LRIS am 10-Meter Keck-Teleskop auf Mauna Kea, Hawaii, genauer untersucht. Dazu wurde das Objekt mit Keck/LRIS im November 2012 3 Stunden lang beobachtet. Dabei kam ein maßgeschneidertes engbandiges Filter zum Einsatz, der nur das charakteristische Licht des kühlen Wasserstoffgases durchlässt (Lyman-α-Filter unter Berücksichtigung der kosmologischen Rotverschiebung dieses speziellen Systems).

Diese Beobachtungen zeigten, dass die Astronomen einen der größten und hellsten Lyman-α-Nebel gefunden hatten, der bis dahin bekannt war. Der Nebel ist soweit von uns entfernt, dass sein Licht fast 10,5 Milliarden Jahre benötigt hat, um uns zu erreichen (kosmologische Rotverschiebung z=2,0412). Der Nebel hat einen Durchmesser von rund einer Million Lichtjahren (310 kpc, entsprechend einer Winkelgröße von 37 Bogensekunden). Bei der Untersuchung der Keck-Bilder stellten die Astronomen fest, dass sie es nicht mit einem einzigen Quasar zu tun hatten, sondern mit gleich vier Quasaren, sämtlich eingebettet in dieselbe riesige Wolke aus Wasserstoffgas. Eine Untersuchung der Spektren der vier Quasare bestätigte, dass es sich in der Tat um vier unterschiedliche Quasare handelte (und damit insbesondere nicht um eine sogenannte Gravitationslinse, bei der die Ablenkung von Licht durch die Gravitation einer großen Masse Mehrfachbilder ein und desselben Himmelsobjekts erzeugen kann). Nach ihrer überraschenden Entdeckungen gaben die Astronomen dem Nebel den Beinamen „Jackpot-Nebel“.

Was sind Proto-Haufen?
Die größten durch Schwerkraft gebundenen Strukturen im heutigen Universum sind nicht einzelne Galaxien, sondern gigantische Anhäufungen von bis zu tausend Galaxien: Galaxienhaufen mit Durchmessern von einigen Millionen Lichtjahren. Im heutigen Bild der Strukturentstehung wächst solch ein Haufen über die Jahrmilliarden hinweg, indem er weitere Materie und Galaxien durch seine Schwerkraft an sich zieht und bindet. Die Vorläufer der heutigen Galaxienhaufen im frühen Universum heißen Proto-Galaxienhaufen oder kurz Proto-Haufen. Solche Haufen können die Astronomen beobachten, wenn sie hinreichend weit in die Ferne schauen – ein Blick in die Ferne ist in der Astronomie schließlich immer ein Blick in die Vergangenheit. Das Licht des Proto-Haufens beispielsweise, in dem das Quasar-Quartett entdeckt wurde, hat 10,5 Milliarden Jahre benötigt, um zur Erde zu gelangen (kosmologische Rotverschiebung z=2,041). Wir sehen diese Region demnach so, wie sie vor 10,5 Milliarden Jahren war. Bereits damals befanden sich dort hundert Mal soviele Galaxien, wie man für eine typische Raumregion im fernen Universum erwarten würde.

http://www.mpia.de/news/wissenschaft/2015-06-Quasar-Quartett – Online-Version der Pressemitteilung, inklusive hochaufgelöster Bildversionen