Der magnetische Mond

Im Jahr 2017 hatten Weiss und sein Team bereits eine andere Brekzie untersucht: die Probe 15498 von der Mission Apollo 15, die etwa 2,5 Milliarden Jahre alt ist. Die Wissenschaftler maßen darin die Signatur eines stärkeren Magnetfelds. Es hatte mit immerhin 5 Mikrotesla auf den Stein eingewirkt. Proben, die noch älter sind – bis zu vier Milliarden Jahre –, belegen sogar lunare Magnetfelder mit einer Stärke von bis zu 100 Mikrotesla, also mehr als heute auf der Erdoberfläche.

Wie passen diese unterschiedlichen Werte zusammen? Weiss zufolge waren wohl zwei separate Dynamoprozesse am Werk: ein kurzer und ein deutlich längerer.

Irdischer Einfluss

Der erste Dynamo hat demnach vor etwa vier Milliarden Jahren ein starkes Magnetfeld erzeugt. Damals umkreisten sich der junge Mond und die junge Erde viel enger als heute. Somit war der Mond auch stärker der Schwerkraft unseres Planeten ausgesetzt. Dies setzte einen Prozess namens Präzession in Gang. Astronomen verstehen darunter die Eigendrehung der Rotationsachse eines Himmelskörpers, ausgelöst durch äußere Störkräfte. Beispielsweise braucht die Präzession der Erdachse wegen der gravitativen Einwirkung durch Mond und Sonne für eine komplette Drehung 25.800 Jahre.

Auch der Mond ist einer Präzession unterworfen. Da sein zentraler Kern und sein äußerer Mantel keine starre Einheit bilden, bewegen sich beide zueinander. Das wirbelt die flüssigen Metalle im Mondkern auf – ähnlich wie das Schwenken einer Tasse das Getränk darin verwirbelt. Zu Beginn der lunaren Geschichte, so die Hypothese, hat diese interne Strömung im flüssigen Mondkern einen Dynamoeffekt angestoßen. Doch als der Trabant sich langsam von der Erde entfernte, nahm auch die Präzession ab. Die Folge: Der anfangs starke Dynamo schwächelte und somit auch das lunare Magnetfeld.

Nun kam ein weiterer, allerdings schwächerer magnetischer Prozess in Gang. Dabei spielten leichtere Substanzen als Eisen und Nickel im Mondkern die Hauptrolle. Solche gibt es zu einigen Prozenten auch im irdischen Kern, insbesondere Schwefel und Sauerstoff.

Verfestigter Mondkern

Im flüssigen Erdkern sorgen Temperaturdifferenzen dafür, dass Ströme fließen. Der Motor des zweiten lunaren Dynamos funktionierte jedoch anders. Weiss spricht von einer Kernkristallisation. Dabei entsteht festes Metall, das eisenreicher ist als die Flüssigkeit. Am Boden des geschmolzenen Kerns, also an der Übergangsstelle zwischen fest und flüssig, war somit eine Flüssigkeit mit einem größeren Anteil an leichten Substanzen und einer geringeren Dichte. Den Antriebskräften folgend, strömte diese bodennahe Flüssigkeit nach oben. Dadurch wurde der geschmolzene Mondkern förmlich verquirlt. Solche Bewegungen des flüssigen Metalls ließen den zweiten Monddynamo anspringen, ist Weiss überzeugt.

Allerdings waren auch diese Vorgänge nicht von Dauer: „Wir haben gezeigt, dass der Dynamoprozess, der das Magnetfeld des Mondes erzeugte, vor etwa 1 bis 1,5 Milliarden Jahren endete“, fasst der MIT-Forscher die Messungen am Mondgestein zusammen. Die neuen Ergebnisse stimmen mit der von Theoretikern vorhergesagten Lebensdauer der Kernkristallisation überein.

Vorsichtige Zustimmung zu dem doppelten Dynamo-Modell kommt von Ulrich Christensen vom Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Der Experte für planetare Dynamos hält diese Mechanismen für plausible Möglichkeiten, um den einstigen Monddynamo anzutreiben. Für eine rein thermisch bedingte Konvektionsströmung aufgrund eines Temperaturunterschieds sei der Mondkern aber sehr wahrscheinlich zu klein. Solche Strömungen hätten, wenn überhaupt, nur kurzzeitig in der heißen Anfangsphase stattgefunden, meint er.

Zweifel hegt der Planetenphysiker am starken Mondmagnetismus vor vier Milliarden Jahren: Das Magnetfeld hatte einen weiten Weg von seinem Entstehungsort im winzigen Kern bis zur Oberfläche. Seine Stärke nahm dabei rasant ab – mit der dritten Potenz. Rechnet man die Feldstärke zum Mondkern hinein, ergibt das ein zehnfach so starkes Magnetfeld wie im heutigen im Erdkern. Ein solch starkes Feld könne keine der bisher vorgestellten Hypothesen gut erklären, kritisiert Christensen.

Die Dynamo-Theorie beantwortet also nicht alle Fragen zum Mondmagnetismus – und sie hat auch Gegner. Beispielsweise versuchte kürzlich ein internationales Team die magnetischen Mondsteine als Folge von Impaktereignissen zu erklären.

Demgegenüber gehen die meisten Forscher davon aus, dass Messungen an verschieden altem Mondgestein den Zeitverlauf der Stärke des globalen Magnetfelds enthüllen. Doch welche Gestalt das urtümliche Feld hatte, ist unbekannt.

Auf der Erde sind die magnetischen Verhältnisse hingegen recht simpel: Die Feldgeometrie ähnelt derjenigen eines Stabmagneten, also mit einem Nord- und einem Südpol, die ungefähr entlang der irdischen Drehachse ausgerichtet sind. Und auf dem Mond.

Astronaut im Unruhestand

Ein halbes Jahrhundert nach seinem Flug mit Apollo 17 lässt der Trabant Jack Schmitt noch immer nicht los. Als die NASA-Sonde Lunar Reconnaissance Orbiter neue Fotos funkte, waren auch Bilder „seiner“ Landestelle dabei. Darauf erkannte der heute 87-jährige Geologe die Bedeutung mancher Proben von damals: Sie stammten von größeren Lavaströmen. Seit diese vor über 3,75 Milliarden Jahren erstarrten, hat sich das Gestein kaum bewegt. So war es auch am 610 Meter großen Krater Camelot, den die Crew mit dem Mondauto zur Probennahme angesteuert hatte.

Die Gesteinsprobe mit der Nummer 75055 stellte sich als besonders ergiebig heraus: „Wir haben ermittelt, wie steil die Magnetfeldlinien auf der Oberfläche des Camelot-Kraters ausgerichtet waren“, sagt Claire Nichols von der University of Oxford. Die Geophysikerin hatte mit Schmitt anhand der alten Fotos die Orientierung dieser Probe im Gelände eindeutig rekonstruiert. Im September 2021 berichteten sie, wie das Magnetfeld am Standort der Proben einst orientiert war. Nichols’ Fazit: „Die Magnetpole waren entlang der heutigen Rotationsachse des Mondes ausgerichtet“ – also sehr ähnlich wie die Geometrie des heutigen Magnetfelds der Erde.

Das kam unerwartet. Da der Mond verglichen mit der Erde sehr langsam um die eigene Achse rotiert – er braucht dafür 27,3 Tage –, könnten seine Magnetpole auch anders ausgerichtet gewesen sein. Die Orientierung entlang der Rotationsachse ist also ein wichtiger Befund. Und er weist in die Zukunft, denn noch in diesem Jahrzehnt sollen Menschen wieder den Erdtrabanten betreten (bdw 12/2021, „Schritt für Schritt zum Mond“). Nichols drängt darauf, künftig die relative Lage der entnommenen Gesteinsproben im Gelände gleich zu dokumentieren. Dann könnten die nächsten Mondflüge auch eine neue Ära der Erforschung des lunaren Magnetismus einleiten.