Vor rund 4,5 Milliarden Jahren war die Erde ein einsamer Glutball ohne ihren heutigen Begleiter, den Mond. Das Sonnensystem war ein viel chaotischerer Ort als heute, kleinere Körper kreisten auf Kollisionskurs zwischen den sich entwickelnden größeren Planeten. In den meisten Fällen verleibten sich die jungen Planeten die Irrläufer ein. Manchmal jedoch hinterließen diese Zusammenstöße noch Jahrmilliarden später sichtbare Spuren. So kollidierte ein marsgroßer Himmelskörper namens Theia vor 4,5 Milliarden Jahren mit der noch weitgehend flüssigen Urerde. Die dabei ausgeworfene Magmawolke verklumpte und bildete den Mond. So zumindest lautet das heute anerkannte Modell zur Geburt unseres Trabanten. Doch Wissenschaftler aus den USA und der Schweiz decken nun auf, dass gewisse Aspekte der Mondentstehung noch nicht vollständig verstanden sind.

Mond in Falschfarben
© NASA, JPL
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Nach dem Kollisionsmodell müsste die heutige Zusammensetzung des Mondes anders als diejenige der Erde sein. Das Material von Theia, ähnlich demjenigen der Meteoriten, hätte sich bei dem Zusammenstoß mit dem der Erde vermischt und so seine Spuren im Mondgestein hinterlassen. Irdisches Gestein unterscheidet sich deutlich von Meteoriten, und diese variieren stark in ihrer Zusammensetzung. Doch fanden die Forscher in ihrer am 25. März 2012 in Nature Geoscience veröffentlichten Untersuchung keine signifikanten Unterschiede zwischen irdischen Gesteinen und Mondgesteinen, welche die Apollo-Astronauten in den 1970er Jahren zu Erde brachten.

Die Wissenschaftler analysierten das Verhältnis zweier Isotope des Elements Titan in den Gesteinen: Titan-47 und das etwas schwerere Titan-50. Deren Verhältnis ist ein geeigneter Marker, um den Ursprung und die Entstehungsgeschichte von Gesteinen in unserem Sonnensystem zu untersuchen. Wenn Theia – wie allgemein angenommen – eine den Meteoriten ähnliche Zusammensetzung aufwies, sollte dies klare Spuren hinterlassen haben: das Titan-Isotopenverhältnis im Mondgestein sollte sich deutlich von demjenigen irdischer Gesteine unterscheiden. Die Wissenschaftler arbeiteten mit neuen Methoden, deren Nachweisempfindlichkeit signifikant höher als die der bisher verwendeten ist. Ihr Ergebnis ist eindeutig: die Titan-Isotopenverhältnisse in Erd- und Mondgestein stimmen auf 0,004 Promille überein und stellen so das Standardmodell der Mondentstehung in Frage.

Die Autoren der Veröffentlichung liefern verschiedene Erklärungsansätze, um den Widerspruch aufzulösen. Die offensichtliche Möglichkeit ist, dass der Großteil des Mondgesteins irdischer Natur ist; dies lässt sich jedoch nicht mit den Ergebnissen aufwändiger Computersimulationen der Kollison von Urerde und Theia vereinen. Nach diesen sollte der Mond zu mindestens 40 Prozent aus Gestein von Theia bestehen. Alternativ könnte die Zusammensetzung der Theia fast identisch mit derjenigen der jungen Erde gewesen sein; so wäre das Mondgestein als Produkt des Zusammenstoßes nicht vom dem der heutigen Erde zu unterscheiden. Die Autoren schließen jedoch, dass diese Erklärung relativ unwahrscheinlich ist: Bereits untersuchte Isotopenverhältnisse anderer Elemente deuten auf eine unterschiedliche Zusammensetzung von Theia und Urerde hin. Viele Zusatzannahmen sind notwendig, um all diese Messungen miteinander zu vereinen. Die dritte Möglichkeit ist, dass die Wolke aus verdampftem und verflüssigtem Gestein nach dem Einschlag der Theia eine Angleichung zwischen Erde und Mond erlaubte. Die Analyse des Sauerstoff-Isotopenverhältnisses belegt bereits eine große Ähnlichkeit zwischen Erde und Mond; doch im Gegensatz zu metallischem Titan ist Sauerstoff sehr flüchtig und konnte leicht zwischen der jungen Erde und dem neugeborenen Mond ausgetauscht werden. Die Wissenschaftler halten einen effektiven Transport von Titan unter bestimmten Bedingungen ebenfalls für möglich. Weitere Untersuchungen seien aber nötig, um diese Frage zu klären.

Die neuen Ergebnisse schließen die bisherigen Modelle der Mondentstehung nicht aus. Sie liefern aber wertvolle Randbedingungen, mit denen die Modelle verbessert werden müssen, um die neuen, genaueren Messungen erklären zu können.