10. Juli 2020 | Trabant der Erde fast 100 Millionen Jahre jünger als bisher angenommen
Der etwas jüngere Mond
Magmaozean und erste Gesteinskruste auf dem Mond
Während sich der Mond vor 4,425 Milliarden Jahren zu einer Kugel von etwa 1700 Kilometer Durchmesser formte, heizte sich sein Inneres durch die Energie, die beim Zusammenballen frei wurde stark auf. Das Gestein schmolz und es bildete sich ein möglicherweise mehr als tausend Kilometer tiefer Ozean aus Magma. Später bildeten sich leichte Gesteine, die an die Oberfläche aufschwammen und eine erste Kruste auf dem Mond bildeten. Diese Kruste isolierte den Mond gegenüber dem Weltall ab, so dass der Magmaozean darunter nur langsam abkühlte. Erst nach etwa 200 Millionen Jahren war der Mond vollständig erstarrt.
Kaum dass das Sonnensystem vor 4,57 Milliarden Jahren entstanden war, hatten sich innerhalb weniger Zehnermillionen Jahre die Planeten entwickelt. Gleichzeitig vagabundierten noch viele Protoplaneten durch das junge Sonnensystem, die in manchen Fällen auf Kollisionskurs mit den jungen Planeten gerieten. Auch die Erde wurde vor 4,425 Milliarden Jahren von einem dieser Protoplaneten getroffen. Es war die Geburtsstunde des Mondes, die Wissenschaftler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster nun mit Modellrechnungen ermitteln konnten. Damit ist der Mond etwas jünger, als bisher angenommen. Der einschlagende Protoplanet könnte die Größe des Planeten Mars gehabt haben und schleuderte enorme Mengen an Gestein des Erdmantels, das teilweise sogar verdampfte, ins All. Aus diesen Bestandteilen entstand in wenigen Tausend Jahren der Mond. Diese Illustration zeigt eine mögliche Kollision des Mondes mit einem großen Asteroiden in seiner weiteren Entstehungsphase.
Der Mond über der Erde – Extreme der Planetenentwicklung
Seit fast viereinhalb Milliarden Jahren umkreist der Mond die Erde. Die beiden Körper repräsentieren zwei Extreme der Planetenentwicklung. Nachdem der Mond vor 4,425 Milliarden Jahren aus Material kondensierte, das bei einer gewaltigen Kollision mit einem Protoplaneten aus der Erde gerissen wurde, entwickelte er einen über tausend Kilometer tiefen Magmaozean, auf dem sich eine Kruste bildete, unter der das Mantelgestein in 200 Millionen Jahre kristallisierte. Auch die Erde hatte einen Magmaozean, jedoch bildete sich darauf erst später eine Kruste. Nachdem der Mond erstarrt war, entstanden in seinem Inneren Magmen, die an die Oberfläche drangen, doch die vulkanische Aktivität erlahmte vor drei Milliarden Jahren und das Antlitz des Mondes veränderte sich seitdem kaum noch. Die Erde hingegen, mit der achtzigfachen Masse des Mondes, ist bis heute ein dynamischer Planet, dessen Äußeres einem ständigen Wandel unterworfen ist. Das Bild von DLR-Institutsdirektor Rolf Hempel entstand in einer "Supervollmondnacht" vom 7. auf den 8. April 2020 und zeigt den Begleiter der Erde über dem Siebengebirge.
Der Trabant der Erde entstand aus den Trümmern, die bei der Kollision mit einem Protoplaneten aus der jungen Erde geschlagen wurden.
Dabei heizte sich der Mond so stark auf, dass er einen über tausend Kilometer tiefen Magmaozean bekam, der in 200 Millionen Jahren auskristallisierte.
Mit neuen Modellrechnungen konnten DLR-Planetologen und von der Universität Münster diese Ereignisse mit der Zeit der Mondentstehung in Verbindung setzen.
Sie fanden heraus, dass der Mond vor 4,425 Milliarden Jahren entstand, fast 100 Millionen Jahre später, als bisher angenommen.
Die Geburtsstunde des Mondes schlug etwas später, als bisher vermutet. Sie ereignete sich, als ein marsgroßer Protoplanet bei der Kollision mit der jungen Erde zwar zerstört wurde, aber aus den Trümmern dieser Katastrophe ein neuer Körper entstand – der Mond. Planetengeophysiker um Maxime Maurice vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) haben nun mit einem neuen numerischen Modell rekonstruiert, wann dies geschah: vor 4,425 Milliarden Jahren. Die bisherigen Annahmen für die Entstehung des Mondes gingen von 4,51 Milliarden Jahren aus, also 85 Millionen Jahre früher als jetzt berechnet. Der Mond ist also fast 100 Millionen Jahre jünger, als bisher angenommen. Davon berichten die Wissenschaftler heute im Wissenschaftsmagazin Science Advances.
Das Sonnensystem war vor viereinhalb Milliarden Jahren noch eine ziemlich chaotische Welt. Die Erde wuchs gerade zu ihrer heutigen Größe heran: Der Planet, auf dem wir heute leben, sammelte noch immer Materie in Form von so genannten ‚Planetesimalen‘ auf, die sich zuvor in der die junge Sonne umkreisenden Scheibe aus Staub und Gas gebildet hatten. Die junge Erde konsolidierte, dabei wurde sie in ihrem Inneren ständig heißer. Immer größere Anteile des Gesteinsmantels schmolzen auf und bildeten einen Magmaozean. Zu jener Zeit bekam die Erde auch ihren Trabanten, der sie bis heute umkreist. Er ist das Ergebnis einer gewaltigen kosmischen Kollision der Erde mit einem Protoplaneten, bei dem Gestein aus der jungen Erde herausgeschleudert wurde und sich zu einem neuen planetaren Körper zusammenballte, dem Mond.
Über die Entstehungsgeschichte sind sich die meisten Wissenschaftler im Prinzip zwar einig, nicht aber über den Vorgang im Einzelnen und vor allem nicht über den Zeitpunkt. "Das Ergebnis unserer Modellierungen legt nahe, dass die junge Erde rund 140 Millionen Jahre nach der Geburt des Sonnensystems vor 4,567 Milliarden Jahren von einem Protoplaneten getroffen wurde. Das geschah nach unseren Berechnungen vor 4,425 Milliarden Jahren – mit einer Unsicherheit von 25 Millionen Jahren," fasst Maxime Maurice vom Berliner DLR-Institut für Planetenforschung und Erstautor der Studie die Untersuchungen zusammen. "Das war die Geburtsstunde des Mondes."
Die Entwicklung der Erde zu einem Planeten war zu diesem Zeitpunkt gerade abgeschlossen. In deren Verlauf sanken im Inneren der Erde die schweren, metallischen Bestandteile ins Zentrum und bildeten einen Kern aus Eisen und Nickel, der nun von einem mächtigen Mantel aus silikatischen Gesteinen umgeben war. Die Mantelgesteine wurden durch die ‚Akkretion‘, dem Zusammenballen der Materie, und der Wärme aus dem Zerfall radioaktiver Elemente immer heißer, so dass eine Trennung von Metall und Silikat im Inneren der Erde innerhalb von einigen Zehnermillionen Jahren stattfinden konnte.
Ein planetarer Volltreffer als Geburtsstunde des Mondes
In diesem Stadium wurde die Erde von einem vielleicht marsgroßen Protoplaneten getroffen, der unter dem Namen Theia in der Sonnensystemforschung kursiert; Theia ist in der griechischen Mythologie eine der Titaninnen und die Mutter der Mondgöttin Selene. In der Frühzeit des Sonnensystems dürften zahlreiche Körper dieser Art existiert haben: Zum Teil wurden sie aus dem Sonnensystem hinausgeschleudert, oder aber sie wurden durch Kollisionen mit anderen Körpern zerstört. Theia indes traf die Erde mit voller Wucht und schleuderte so viel Material aus dem Erdmantel, dass sich daraus der Mond formen konnte. Bei diesem heftigen Aufprall bildete sich auf der frühen Erde ein Magmaozean aus glühend heißem, geschmolzenen Gestein von mehreren tausend Kilometern Tiefe. Von Theia gibt es nach dieser gewaltigen Kollision heute keine Spuren mehr, die man nachweisen könnte.
Um die bei diesem Ereignis ausgelöste Entstehung des Mondes nachvollziehen zu können, erfordert es einiges an Vorstellungsvermögen und Phantasie: Die Kollision der beiden Körper verdampfte mit ihrer gewaltigen Energie auch eine riesige Menge an Gestein aus dem frühen Erdmantel. Es wurde herausgeschleudert und sammelte sich in einem Ring aus Staub um die Erde, ehe es sich dort wieder zu Gestein zusammenballte. "Daraus entstand in kurzer Zeit, in vermutlich nur wenigen Tausend Jahren, der Mond", erklärt Professorin Doris Breuer vom DLR und Co-Autorin der Studie.
Das älteste Mondgestein ist nicht alt genug
Über die Entstehungsgeschichte des Mondes herrscht unter Wissenschaftlern weitgehend Einigkeit. Allerdings konnten sie bis jetzt die Entstehung des Mondes nicht genau datieren, da es keine von den Astronauten der sechs Apollo-Missionen und den drei robotischen sowjetischen Luna-Missionen zur Erde gebrachten Mondgesteine gibt, die das Entstehungsalter des Erdtrabanten direkt konservieren. Mithilfe einer neuen, indirekten Methode haben die Forscher vom DLR und der WWU rekonstruiert, wann der Mond entstanden ist. "Unsere Berechnungen zeigen, dass dies höchstwahrscheinlich ganz am Ende der Erdentstehung geschah", schildert Sabrina Schwinger, eine weitere Co-Autorin der Studie den zeitlichen Ablauf.
Nicht nur die Erde hatte in ihrer frühen Jugend einen Magmaozean. Auch im jungen Mond konnte sich durch Akkretionsenergie ein Magmaozean entwickeln. Der Mond schmolz fast vollständig auf und wurde, wie auch die Erde, von einem möglicherweise über tausend Kilometer tiefen Magmaozean bedeckt. Dieser Magmaozean begann zwar schnell zu kristallisieren und bildete an der Oberfläche, der ‚Schnittstelle‘ zum kalten Weltall, eine Mondkruste aus aufschwimmenden leichten Kristallen. Aber unter dieser isolierenden Kruste, die das weitere Abkühlen und Auskristallisieren des Magmaozeans bremste, blieb der Mond noch lange geschmolzen. Bisher konnten Wissenschaftler nicht feststellen, wie lange es dauerte, bis der Magmaozean vollständig kristallisiert war – weshalb sie auch nicht ausmachen konnten, wann sich der Mond ursprünglich bildete.
Für die Berechnung der Lebensdauer des Magmaozeans des Mondes verwendeten die Wissenschaftler in ihrer aktuellen Studie ein neues Computermodell, das erstmals die Vorgänge bei der Kristallisation des Magmaozeans umfassend berücksichtigte. "Die Ergebnisse des Modells zeigen, dass der Magmaozean des Mondes langlebig war und es fast 200 Millionen Jahre dauerte, bis er vollständig zu Mantelgestein auskristallisierte", betont Maxime Maurice. "Die Zeitskala ist viel länger als in früheren Studien berechnet", ergänzt DLR-Kollege Dr. Nicola Tosi, zweiter Autor der Studie und Betreuer der Doktorarbeit von Maxime Maurice, deren Ergebnis in dieser Studie zusammengefasst ist. "Ältere Modelle gingen von einer Kristallisationsdauer von nur 35 Millionen Jahre aus."
Kristallisationsmodelle zeigten das Alter des Mondes – und der Erde
Um auch das Alter des Mondes zu bestimmen, mussten die Wissenschaftler noch einen Schritt weitergehen. Sie berechneten, wie sich die Zusammensetzung der magnesium- und eisenreichen Silikatmineralien, die sich während der Kristallisation des Magmaozeans bildeten, mit der Zeit veränderte. Das Ergebnis: Die Forscher stellten eine kontinuierliche Veränderung der Beschaffenheit des verbleibenden Magmaozeans im Laufe der fortschreitenden Kristallisation fest. Diese Erkenntnis ist von Bedeutung, da die Autoren so die Bildung verschiedener Gesteine vom Mond mit einem bestimmten Stadium in der Entwicklung seines Magmaozeans in Verbindung bringen konnten. "Durch den Vergleich der gemessenen Zusammensetzung der Mondgesteine mit der vorhergesagten Zusammensetzung des Magmaozean aus unserem Modell konnten wir die Entwicklung des Ozeans bis zu seinem Ausgangspunkt, dem Entstehungsalter des Mondes, zurückverfolgen", erklärt DLR-Planetenforscherin Sabrina Schwinger.
Die Ergebnisse der Wissenschaftler zeigen, dass der Mond vor 4,425±0,025 Milliarden Jahren entstanden ist. Dieses genaue Alter des Mondes stimmt bemerkenswert gut mit einem zuvor aus dem Verhältnis von irdischen Uran- und Bleiisotopen bestimmten Alter für die Bildung des metallischen Erdkerns überein, mit dem die Entstehung des Planeten Erde ihren Abschluss fand. "Es ist das erste Mal, dass das Alter des Mondes direkt mit einem Ereignis in Verbindung gebracht werden kann, das ganz am Ende der Erdentstehung passierte, nämlich der Entstehung des Kerns der Erde", betont Prof. Dr. Thorsten Kleine vom Institut für Planetologie in Münster.
Förderung: Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 170 "Späte Akkretion auf terrestrischen Planeten" und der Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Early Dynamics of the terrestrial planets" durchgeführt und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert.
Originalpublikation: M. Maurice, N. Tosi, S. Schwinger, D. Breuer, T. Kleine (2020). A long-lived magma ocean on a young Moon. Science Advances; DOI: 10.1126/sciadv.aba8949
