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Erdtrabant: Der Makel am Mond

Die aktuellen Theorien zur Mondentstehung beruhen zu sehr auf kosmischen Zufällen. Eine Mission zur Venus könnte Aufklärung bringen.
Einschlag als Geburtshelfer des Mondes

Der Mond ist mehr als nur ein gewohnter Anblick am Nachthimmel: Er diktiert die Lebensbedingungen auf der Erde. Unser Begleiter ist groß genug, um die Drehung unseres Planeten zu stabilisieren, so dass die Erdachse sich nur innerhalb weniger Grad neigt. Ohne diesen Einfluss würde die Rotationsachse der Erde chaotisch um mehrere Zehnergrade hin- und herschwanken. Zwar würden derart starke Unterschiede Leben nicht unbedingt ausschließen, doch führten sie zu einem deutlich anderen Klima.

Wie der Mond entstand, ist von zentraler Bedeutung, wenn man die Erde und die Entwicklung anderer Planeten verstehen möchte. Seit den 1980er Jahren konzentrieren sich Arbeiten zum lunaren Ursprung auf die so genannte Einschlagtheorie: Die Kollision eines planetengroßen Körpers mit der frühen Erde habe eine Scheibe aus Trümmern erzeugt, die zum Mond verschmolzen, so die Kurzversion. Derart gigantische Zusammenstöße fanden relativ häufig im Sonnensystem statt, als sich die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren im Endstadium ihrer Entstehung befand.

Bis jetzt verstehen wir aber immer noch nicht im Detail, wie ein Impakt unseren Mond und die Erde erzeugt haben könnte. In den letzten Jahren ermöglichten neue Computersimulationen, Isotopenanalysen von Gesteinen und Daten von Mondmissionen neue Ansätze, mit denen sich die beobachteten Eigenschaften des Erde-Mond-Systems erklären lassen. Die größte Herausforderung liegt darin, gleichzeitig die Dynamik des Pärchens zu erklären – etwa den Drehimpuls, der in der Mondbahn und dem 24-Stunden-Tag der Erde "festgehalten" ist – und die vielen geologischen Gemeinsamkeiten und die wenigen, aber wichtigen Unterschiede in Einklang zu bringen. Die Kollision eines riesigen Geschosses mit der Erde könnte die nötige Wucht für den benötigten Drehimpuls liefern. Doch sie erzeugt eine Materiescheibe, die vor allem aus eigenen Trümmern besteht. Sollte das kosmische Geschoss also mineralogisch anders zusammengesetzt sein als die Erde – was durchaus wahrscheinlich ist, weil es für die meisten der Objekte im inneren Sonnensystem gilt –, warum ähnelt dann die Geologie des Monds so stark den äußeren Schichten unseres Planeten?

Die Chemie und Geologie des Mondes | Diese Falschfarbenfotografie basiert auf Bildern der Galileo-Sonde, die sie während der Durchquerung des Erde-Mond-Systems aufgenommen hat. "Rote" Regionen sind im Allgemeinen Hochlandgebiete, während blaue bis orangefarbene Schattierungen alte vulkanische Lavaflüsse der Mare anzeigen. Blaue Töne zeigen höhere Titangehalte als orange Farben. Purpurne Flächen nahe der Bildmitte sind pyroklastische Ablagerungen, die bei explosiven vulkanischen Eruptionen entstanden.

Bislang berufen sich die vorgeschlagenen Erklärungsmuster auf zusätzliche Prozesse wie etwa starke Materialvermischungen beider Körper oder späteres gravitatives Schwingen mit der Sonne. Doch ob sie so stattgefunden haben, ist noch unklar. Planetenforscher müssen daher ihre Modellierungsanstrengungen des Erde-Mond-Systems verdoppeln und chemische Signaturen im Mond- und Erdgestein identifizieren, mit denen sie diese Szenarien ausschließen oder Alternativen vorschlagen können.

Mehr Gemeinsamkeiten als Trennendes

Es existieren deutliche Unterschiede darin, wie Erde und Mond zusammengesetzt sind. Der Erdkern ist stark eisenhaltig, und das Element macht 30 Prozent der Gesamtmasse unseres Planeten aus. Umgekehrt trägt das Metall nur ein Zehntel zur Mondmasse bei. Zudem verarmte der Trabant an leichtflüchtigen Elementen wie Kalium, was nahelegt, dass diese Bestandteile verdampften und verloren gingen, als sich der Mond aus der heißen Scheibe bildete. Analysen von Gesteinsmaterial, das die Apollo-Missionen in den 1970er Jahren mitbrachten, zeigten, dass die Silikatmäntel von Mond und Erde praktisch gleiche Sauerstoffisotopenzusammensetzungen haben (zumindest innerhalb der Messtoleranz). Sie unterscheiden sich von jenen der Marsmeteoriten oder Material aus dem Asteroidengürtel. In der jüngeren Vergangenheit stieß man auf noch mehr Gemeinsamkeiten: Die Chrom-, Titan-, Wolfram- und Siliziumisotopenverhältnisse beider Körper sind nahezu identisch.

Die Untersuchungen des Mondschwerefelds durch die GRAIL-Mission der NASA (Gravity Recovery and Interior Laboratory) reduzierten zusammen mit topografischen Daten des Lunar Reconnaissance Orbiters der NASA Abschätzungen der Dicke der Mondkruste und ihrer Gehalte an Aluminium. Diese Messungen deuten an, dass hochschmelzende Elemente ähnlich häufig in beiden Körpern sind – und nicht, wie bislang angenommen, auf dem Mond gehäufter vorkommen. Zusammengenommen legen diese Daten nahe, dass sich der Mond aus Material bildete, das direkt aus dem Erdmantel stammte. Oder der Mond und die silikathaltigen Teile der Erde entwickelten sich aus einer identischen Materialmischung.

Die mondbildenden Kollisionen werden anhand von Simulationen untersucht. Da die Aufprallenergie der zusammenstoßenden Planeten groß genug ist, um beide zu schmelzen oder sogar teilweise zu verdampfen, bezieht man Druckkräfte und Phasenübergänge in den Modellen mit ein. Gravitative Wechselwirkungen und Drehkräfte werden ebenfalls hinzugefügt, da der Zusammenstoß die Planeten deformiert und Trümmer in eine Scheibe schleudert. Mantel- und Kernmaterialien müssen nachverfolgt werden. Im klassischen Modell des Rieseneinschlags, das seit Ende der 1970er Jahre immer weiterentwickelt wurde, erklärt sich der Mond als Produkt eines langsamen Streifschusses eines marsgroßen Körpers, der etwa 10 bis 15 Prozent der Erdmasse enthielt. Der Aufprall sorgte dafür, dass sich die Erde sehr schnell zu drehen begann: einmal um die Achse in fünf Stunden, während der Mond sehr nahe um uns kreiste. Schwerkraftwechselwirkungen und Drehkräfte zwangen den Mond dann in eine immer größere Umlaufbahn und verlangsamten die Erdrotation bis zum heutigen 24-Stunden-Tag. Dieses Modell stimmt überein mit der Mondmasse, seinem Mangel an Eisen und dem Drehimpuls des Erde-Mond-Systems.

Detailliertere chemische Eigenschaften lassen sich damit aber schwieriger erklären. Das Modell des Rieseneinschlags geht davon aus, dass der Mond aus Material einer Scheibe kondensierte, die bei klassischen Impakten überwiegend aus dem Mantel des einschlagenden Objekts stammt. Es ist aber unwahrscheinlich, dass der auftreffende Brocken chemisch ähnlich wie die frühe Erde zusammengesetzt war. Die Sauerstoffisotopenverhältnisse auf dem Mars etwa weichen von denjenigen der Erde um mehr als das 50-fache ab. Sollte sich der Impaktor ähnlich stark wie der Mars von der Erde unterschieden haben, so wäre seine entsprechende Signatur immer noch nachweisbar – selbst nach einem gigantischen Auffahrunfall.

Wenn es einschlägt

Eine elegante, als Äquilibrierung bekannte Lösung schlugen 2007 die Planetologen Kaveh Pahlevan und David Stevenson vor. Sie nahmen an, dass sich Dampf aus der Scheibe und der äußeren Erde nach dem Impakt, aber noch vor der Herausbildung des Monds mischte. Doch auch diese Idee blieb mit Schwierigkeiten behaftet. Es dauert mindestens 100 Jahre, bis sich die Partikel ausbreiten und vermengen. Während dieser Zeit sollten sich aber die äußersten Bereiche der Scheibe bereits zum Mond vereint haben.

Eine Kollision kosmischen Ausmaßes formte den Mond. | Eine Kollision kosmischen Ausmaßes formte den Mond – so eine der gängigen Theorien. Demnach prallte ein etwa marsgroßes Objekt auf die junge Erde und schleuderte dabei große Mengen Gesteinsmaterial ins All, das dann den Mond bildete.

Möglicherweise haben die innersten Bereiche des Trabanten die Zusammensetzung des Impaktors bewahrt. Nichts davon deutet sich im Mondgestein an, doch repräsentiert dieses nur die äußersten, wenige hundert Kilometer mächtigen Bereiche unseres Satelliten. Rätselhaft bleibt auch das Verhalten flüchtiger Elemente im Dampf nach dem Zusammenprall: Man würde erwarten, dass sie sich leichter vermischen als hitzeresistentere Bestandteile. Sauerstoff und Titan liegen jedoch in beiden Körpern in identischen Mengenverhältnissen vor.

Im Jahr 2012 erweiterten deshalb Matija Ćuk und Sarah Stewart das Spektrum potenzieller mondbildender Kollisionen. Die abgeflachte Form der Erde sorgt dafür, dass die Ausrichtung der elliptischen Kreisbahn des Monds allmählich mit einer Periode rotiert, die sich verlängert, wenn die Mondbahn expandiert: ein als Präzession bezeichneter Prozess. Ein Schwingungszustand zwischen Mond und Sonne könnte – so er denn lange genug anhielte – die Drehgeschwindigkeit der Erde halbieren. Dieser Zustand tritt auf, wenn die Präzessionsperiode des Monds mit der einjährigen Umlaufzeit der Erde übereinstimmt, so die beiden Forscher. Einschläge mit höherem Drehimpuls würden damit möglich – inklusive zweier Fälle, die eine Trümmerscheibe mit der Zusammensetzung des Erdmantels erzeugten.

Ist die Geburt unseres Monds ein selteneres Ereignis als gedacht – oder übersehen wir einfach etwas?

Das Szenario einer sich schnell drehenden Erde, das Ćuk und Stewart vorstellten, schlägt die Kollision eines nicht ganz marsgroßen Objekts mit einer Erde vor, die bereits mit einem 2- bis 2,5-stündigen Tag rotiert – der von einem vorherigen großen Einschlag herrührt. Da unser Planet mit nahezu kritischer Geschwindigkeit rotierte, bei der er nahezu instabil war, schleuderte der mondbildende Treffer Teile des Erdmantels ins All, der sich zur Trümmerscheibe formierte.

Ebenfalls im Jahr 2012 schlug ich eine eigene Theorie vor, genannt "Halberden"-Impakt: Darin steigt der Mond als Ergebnis eines Zusammenpralls zweier Planeten auf, die jeweils die Hälfte der Erdmasse umfassten. Sowohl der entstehende Planet als auch die Scheibe bestünden je zur Hälfte aus dem Material des Geschosses wie des Getroffenen. Dieses Modell ist einfacher als jenes der sich schnell drehenden Erde, da es keinen vorherigen Einschlag benötigt. Allerdings verlangt es ein großes Objekt als Partner und ist daher vielleicht noch etwas unwahrscheinlicher als ein klassischer Rieseneinschlag.

Die beiden 2012er Modelle berücksichtigen die gleichen isotopischen Zusammensetzungen von Sauerstoff, Chrom und Titan von Mond und Erde. Um die Ähnlichkeiten bei Silikat und Wolfram zu erklären – die beide mit Metallen wechselwirken –, gehen die jeweiligen Simulationen davon aus, dass der Eisenkern des Impaktors relativ intakt bleibt, während er durch den Erdmantel absteigt, bevor er sich mit dem Erdkern vereint. Dadurch werden größere Wechselwirkungen zwischen Metallen und Silikaten verhindert. Allerdings bleibt vorerst noch unklar, ob die Resonanzmechanismen, die benötigt werden, um die Erdrotation zu bremsen, in diesen extremen Szenarien wahrscheinlich sind oder ob sie nicht sehr klar umrissene Grundbedingungen erfordern. Kurz: Ist die Geburt unseres Monds ein selteneres Ereignis als gedacht – oder übersehen wir einfach etwas?

Zukünftige Entwicklungen

Studien zur Mondentstehung sind momentan sehr dynamisch. Keines der gegenwärtigen Modelle überzeugt mehr als die anderen. In verschiedenen Bereichen benötigen wir Fortschritte, um einige der Theorien auszuschließen, andere zu untermauern oder uns auf neue Lösungen hinzuweisen. Zuerst müssen wir besser verstehen, was zwischen der Ausbildung der Scheibe und der Zusammenballung des Monds geschah, denn in dieser Phase wurden die Charakteristika des Trabanten festgelegt. Sorgte Vermischung dafür, dass sich die Zusammensetzung der Scheibe und des Planeten homogenisierten, bevor der Mond entstand? Verdampften leichtflüchtige Elemente aus der Scheibe? Und falls ja, veränderte sich die Verlustrate mit der Temperatur des Schuttfelds? Klassische Impakte erzeugen eine überwiegend flüssige Scheibe, während bei Einschlägen mit hohem Drehimpuls anfänglich vor allem Dämpfe vorliegen. Derartige Modelle zur Scheibenevolution sind technisch anspruchsvoll und erfordern einen multidisziplinären Ansatz, der Thermodynamik und Chemie mit einschließt.

© Walden School of Liberal Arts in Provo, Utah / NASA Lunar Science Institute
Der Mondimpakt im Film

Zum Zweiten muss die Wahrscheinlichkeit, dass die Eigenfrequenz das Drehmoment von Erde und Mond beeinflusst hat, überprüft werden – und zwar für eine Reihe von physikalischen Zuständen in der Frühzeit beider Körper. Dazu lassen sich aktuelle Modelle verwenden, mit denen die Wechselwirkung der Gezeiten zwischen beiden nachgestellt wird. Und schließlich wären weitere Isotopenvergleiche zwischen Erd- und Mondgestein von unschätzbarem Wert. Sie sollten gerade auch extrem hitzebeständige Elemente wie Kalzium umfassen, um das Gleichgewichtsmodell zu testen. Sollte es sich herausstellen, dass sich die Isotopenverhältnisse derartiger Elemente bei Erde und Mond gleichen, obwohl sie sich während der 100-jährigen Dampfphase nicht angleichen konnten, so würde dies gegen die Gleichgewichtshypothese sprechen – sofern sie sich von jenen des Mars unterscheiden. Umgekehrt würden unterschiedliche Isotopenverhältnisse sie festigen.

Sauerstoff stellt die wichtigste Isotopenbeschränkung bei der Mondentstehung dar. Die jeweils unterschiedlichen Werte des Erde-Mond-Systems, des Mars und der meisten Meteoriten spiegeln abweichende Quellen im inneren Sonnensystem wider. Das erleichtert die Interpretation der Sauerstoff-Isotopenzusammensetzungen verglichen mit Elementen wie Silizium, dessen Isotopenverhältnisse durch später folgende Entwicklungen der Planetengeschichte beeinflusst wurden. Indem man die Sauerstoffisotopenmessungen verfeinert, ließen sich wahrscheinlich ebenfalls einige Impaktszenarien ausschließen.

Es verwirrt, dass alle bisherigen Modelle zwingend einen Prozess nach dem Einschlag erfordern, um tatsächlich ein wichtiges Ergebnis des Impakts auszulöschen: Beim klassischen Zusammenprall geht es darum, den Inhalt der Scheibe zu vermischen, bei der Geschichte mit dem hohen Drehimpuls dagegen darum, die hohe Drehgeschwindigkeit der Erde zu ändern. Wir bemühen uns, komplexe Sachverhalte möglichst aus den Simulationen zu verbannen. Wir suchen nach der einfachsten Lösung, nicht nur aus wissenschaftsästhetischen Gründen, sondern weil simple Lösungen schlicht eher zutreffen. Je mehr Einzelschritte eingebaut werden, desto geringer wird die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Abfolge eintrifft. Die momentanen Modelle sind jedenfalls komplexer und scheinen damit weniger wahrscheinlich als das ursprüngliche Konzept eines gewaltigen Knalls.

Auf zur Venus

Ein Anhaltspunkt könnte sich auf der Venus finden. Die Vermutung, dass der mondbildende Impaktor sich völlig anders zusammengesetzt haben könnte als die Erde, basiert vor allem auf unserem Wissen über den Mars. Wir wissen nichts über die Isotopenverhältnisse auf der Venus, obwohl der Planet der Erde am ähnlichsten ist – zumindest in Bezug auf die Masse und die Entfernung zur Sonne. Sollte sich die Venus auch als chemisch ähnlich erweisen, so wäre der Mars ein Ausreißer, und ein der Erde verwandter Impaktor würde wahrscheinlicher. Dies würde viele Vorbehalte gegenüber den klassischen Einschlägen beiseiteräumen.

Um die Isotopenverhältnisse der wichtigsten Elemente auf der Venus zu bestimmen, muss man wohl eine Mission zu dem Planeten starten. Eine derart verlockende Perspektive erinnert uns daran, wie viel wir noch über unsere Nachbarschaft im Sonnensystem lernen können.

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