Wertvoller als Gold war der Schatz an Bord der Mondfähre von Apollo 11, die im Sommer 1969 zur Erde zurückkehrte: 22 Kilogramm Mondgestein. Neil Armstrong und Buzz Aldrin hatten die kostbare Fracht in Aluminiumkoffern sicher verstaut. Zu Hause warteten Wissenschaftler schon sehnsüchtig auf die Proben. Denn sie boten erstmals die Gelegenheit, Mondgestein unter die Lupe zu nehmen. Seitdem sind Kosmochemiker rund um den Globus damit beschäftigt, das Gestein zu analysieren.
Bereits wenige Jahre nach der Pioniertat der NASA zeitigten die Analysen eine unerwartete Konsequenz: Alle bis dato gängigen Modelle zur Mondentstehung waren mit der frappierenden chemischen Ähnlichkeit zwischen Erd- und Mondgestein unvereinbar. Mehr denn je rätselten die Planetologen über die Geburt unseres Trabanten.
Der US-Planetenforscher William Hartmann war 1975 der Erste, der einen neuen Ansatz zur Debatte stellte: Am Anfang des Mondes soll demnach ein Zusammenstoß der jungen Erde mit einem großen Planetoiden gestanden haben. Hartmann zufolge formte sich der Mond aus den im Erdorbit kreisenden Kollisionstrümmern. Doch seine Vorstellungen, die sich an dem größten heute bekannten Planetoiden orientierten – Ceres mit etwa 1000 Kilometer Durchmesser –, konnten die Eigenschaften des Erde-Mond-Systems nicht befriedigend erklären.
Der „Giant Impact”
Zehn Jahre später begann der Siegeszug eines ähnlichen Szenarios, das unter dem Stichwort „Giant Impact” bekannt wurde. Demzufolge krachte ein viel größerer Urplanet in die heranwachsende Erde. Der Durchmesser dieses „Impaktors” soll dem des Mars von rund 6800 Kilometern geähnelt haben. Dieser hypothetische Urplanet namens Theia wurde durch den Crash völlig zerstört, und seine Trümmer gelangten in die Erdumlaufbahn. Dort vermischten sie sich vermutlich mit abgesprengtem Gestein des Erdmantels. Zwar ballte sich der Mond dem Szenario zufolge aus beiden Gesteinssorten zusammen. Den Löwenanteil sollen jedoch die Theia-Fragmente gestellt haben.
Der Einschlag war wohl der heftigste, den unsere Erde jemals aushalten musste. Und doch könnte seine Wucht bisher unterschätzt worden sein. Denn folgt man aktuellen wissenschaftlichen Publikationen, so war der Giant Impact noch viel gigantischer als gedacht.
Das heutige Erde-Mond-System als Folge einer Kollision im Computer nachzustellen ist schwierig, denn die komplexe Physik während der planetaren Karambolage muss realistisch beschrieben werden. Im Fachmagazin Icarus schilderten kürzlich Wissenschaftler um Andreas Reufer, ehemals an der Universität Bern, und seine Kollegen von der ETH-Zürich ihre Modellrechnungen. Die Forscher hatten die Bestandteile von Urerde und Theia durch insgesamt 500 000 Einzelmassen simuliert. Die kreisenden Trümmer, also der Rohstoff für den zukünftigen Mond, wurden durch immerhin 10 000 Einzelmassen repräsentiert.
SUPERCOMPUTER IM EINSATZ
Für glaubhafte Ergebnisse muss die Simulation wichtige Kenngrößen von Erde und Mond berücksichtigen: Beispielsweise muss der gesamte Drehimpuls beider Himmelskörper korrekt berechnet werden, wozu insbesondere die Dauer der Erdrotation und die Masse der Trümmerscheibe wichtig sind. Darüber hinaus sollte das Computermodell eine Erklärung liefern, warum die Dichte der Erde viel höher ist als diejenige des Mondes (siehe Kasten auf S. 43, „ Ein harter Schlag für die Urerde”). Zwar ist der Aufwand für solche Rechnungen immens, doch Supercomputer können die numerische Herkulesaufgabe stemmen.
Bei den Unterschieden zu den klassi- schen Giant-Impact-Rechnungen geht es um wichtige Details: „Während man früher annahm, dass Theia die Erde nicht zentral, sondern eher mit einem Streifschuss traf, werden nun auch etwas zentralere Zusammenstöße betrachtet”, erklärt Reufer. „Zweitens legen wir eine höhere Kollisionsgeschwindigkeit zugrunde, als es bislang der Fall war. Und drittens ist Theia in manchen der neuen Simulationen noch massereicher – wir veranschlagen bis zum Doppelten der Marsmasse.”
In ihrer Summe bedeuten die neuen Annahmen einen heftigeren Planeten-Crash – und das hat Konsequenzen: Ein höherer Anteil des Theia-Gesteins erreichte die Fluchtgeschwindigkeit und wurde auf Nimmerwiedersehen ins Weltall geschleudert. Zurück blieb eine Scheibe aus sehr heißen Fragmenten, aus denen sich später der Mond zusammenballte.
MEHR ERDE FÜR DEN MOND
Der Züricher Kosmochemiker Matthias Meier, der ebenfalls an der Publikation beteiligt ist, betont: „In dem neuen Szenario kann für den Mond ein deutlich höherer Anteil aus dem Erdmantel abgezweigt werden als mit der herkömmlichen Theorie.” Die frappierende chemische Ähnlichkeit zwischen Mond und Erdmantel erklärt sich so fast von selbst, da die um die Erde kreisenden Trümmer im Szenario hauptsächlich aus irdischem Mantelgestein bestehen. Bei den Isotopen des Sauerstoffs sind Erde und Mond sogar nicht zu unterscheiden.
„Die klassische Giant-Impact-Theorie verlangt, dass der Mond zu 80 Prozent aus Theia-Material besteht, die Erde aber nur zu 10 Prozent. Dann müsste Theia aber fast die gleiche Zusammensetzung gehabt haben wie die Erde”, folgert Meier. Dies sei jedoch unwahrscheinlich, da Meteorite und andere Himmelskörper ganz andere Isotopen-Zusammensetzungen hätten als die Erde. Und das ist in dem neuen Szenario auch möglich, denn die Zusammensetzung Theias spielt darin nur eine untergeordnete Rolle. Auch Matija Cuk vom kalifornischen SETI-Institut und Sarah Stewart von der Harvard University renovieren das Gedankengebäude des Giant Impact. In ihrer vergangenen Oktober in Science publizierten Theorie greifen sie eine alte Idee auf: Was wäre, wenn die Urerde viel schneller rotierte, als bisher gedacht?
BOMBARDEMENT DER FRÜHEN ERDE
Bereits im 19. Jahrhundert schlug George Darwin (1845 bis 1912) genau das vor. Der Sohn des Begründers der Evolutionslehre meinte, der Mond könne sich von einer rasant drehenden Urerde abgespalten haben. Unklar blieb jedoch, wie die Urerde ihr enormes Drehtempo erreicht haben sollte. Moderne Studien zur Planetenentstehung legen nahe, dass die wachsende Urerde durch zahlreiche gewaltige Einschläge von „planetaren Embryos” auf ein hohes Drehtempo beschleunigt wurde – bis an ihre Stabilitätsgrenze (bild der wissenschaft 1/2013, „Im Reich der Urplaneten”). Diese Grenze beträgt rund zwei Stunden – bei noch schnellerer Drehung hätten Fliehkräfte den Erdkörper zerrissen.
Heutzutage braucht die Erde gemächliche 24 Stunden für eine Umdrehung, und die Gezeitenkräfte zwischen Erde und Mond sorgen immer noch für eine sachte Abbremsung – allmählich wächst also die Tageslänge. Dabei entfernt sich der Mond von der Erde pro Jahr um rund 3,8 Zentimeter. Während also die Erde an Drehimpuls verliert, gewinnt der Mond diesen in gleichem Maß hinzu – und so muss es laut dem Gesetz der Drehimpulserhaltung auch sein.
Geht man vom heutigen Drehimpuls des Erde-Mond-Systems aus und rechnet zurück, so hatte die frühe Erde unmittelbar nach der Mondgeburt eine Rotationsdauer von rund fünf Stunden. Doch mit dieser Tageslänge ist es schwierig zu bewerkstelligen, dass beim Giant Impact genug irdisches Gestein in den Erdorbit geschleudert wurde.
„Es ist leichter, von einem schnell rotierenden Körper Material in die Umlaufbahn zu befördern”, erläutert der serbisch-stämmige Astrophysiker Matija Cuk. Wenn die damalige Tageslänge auf der Urerde allerdings nur zwei bis drei Stunden betragen hätte, wäre die Situation anders: Durch die günstigeren Startbedingungen wäre nach dem Giant Impact genügend Erdgestein ins Orbit gelangt, um später daraus einen chemisch erdähnlichen Mond zu bilden. Doch dazu müsste das urzeitliche Erde-Mond-System viel mehr Drehimpuls besessen haben als heute. Wo ist dieser überschüssige Drehimpuls geblieben? Cuk und Stewart haben einen Mechanismus gefunden, um dessen Verbleib zu erklären. Den Astrophysikern zufolge wurde der Drehimpuls transferiert – und zwar auf das System von Erde und Sonne (siehe Kasten unten: „ Gebremste Erde”).
Auch wenn es im Detail ein paar Unterschiede gibt – die Szenarien aus den USA und der Schweiz haben eine auffällige Gemeinsamkeit: Beide schildern die Mondgeburt als noch schwerer als bislang gedacht. Und was sagen die Forscher dazu, die mit ihren Rechnungen vor über einem Jahrzehnt der Impact-Theorie zum Durchbruch verhalfen? Erik Asphaug, heute an der University of California in Santa Cruz, begrüßt den neuen Ansatz der Icarus-Arbeit: „Es ist ein cleverer Schachzug, das Mantelgestein von Theia auf einen Fluchtkurs zu beschleunigen. So kann sich der Mond hauptsächlich aus dem Gestein des Erdmantels formieren – wie gewünscht.” Auch das höhere Kollisionstempo hält er für realistischer: „Mich hat es immer irritiert, dass im klassischen Modell die denkbar langsamste Geschwindigkeit angenommen wurde.”
Wie war Theia?
Asphaugs Kollegin Robin Canup vom Southwest Research Institute im US-Bundesstaat Colorado, ebenfalls eine Veteranin der Giant-Impact-Simulationen, hat jüngst im Fachmagazin Science noch einmal nachgelegt: Sie kann sich Theia sogar mit einer Masse vorstellen, die der der damaligen Erde ähnelte – damit wäre sie fünf- bis zehnmal so schwer wie bisher angenommen.
Gleichwohl warnt Asphaug vor zu viel Enthusiasmus, da immer noch unklar sei, was sich in der Zeit nach dem Zusammenstoß abgespielt habe. Die aktuellen Rechnungen decken bloß einen Zeitraum von maximal 50 Stunden nach dem Aufprall ab. Wie lange die um die Erde schwirrenden Brocken brauchten, um sich zum Mond zu formieren, ist unsicher. Andreas Reufer taxiert die Dauer grob auf einige Tausend Jahre. Und noch ein weiteres Problem warfen der Schweizer und seine Kollegen auf: War Theia wirklich ein marsähnlicher Gesteinsplanet?
Nicht unbedingt, lautet die Antwort. Denn die Rechnungen ergaben, dass Theia auch aus bis zu 50 Prozent Wassereis bestanden haben könnte und damit eher den Monden von Jupiter und Saturn geähnelt hätte. Das Eis wäre dann durch die Hitze der Kollision verdampft, sodass bestenfalls Spuren davon ins lunare Baumaterial gelangten. Theia, ein verirrter Eismond? Möglich, meint Asphaug, aber nicht sehr wahrscheinlich.
Als gesichert gilt hingegen: Direkt nach der Mondgeburt waren sich Erde und Mond sehr nah. Der Trabant kreiste kaum vier Erdradien entfernt, und erschien am Himmel fast 20 Mal so groß wie heute. Wer heutzutage zum Mond fliegt, muss eine Distanz von rund 60 Erdradien überwinden. Dass Armstrong und seine Kollegen auf einem Himmelskörper herumspazierten, der hauptsächlich aus Erdgestein besteht, hatten sie nicht geahnt. Insgesamt bringt der Schatz aus dem Gepäck der sechs Apollo-Mondlandungsmissionen 382 Kilogramm auf die Waage. Der größte Teil wird heute im texanischen Johnson Space Center der NASA in künstlicher Stickstoffatmosphäre aufbewahrt.
Die Astronomen verdanken dem wertvollen Gestein ein mittlerweile tiefes Wissen über die Geburtswehen im Sonnensystem. Und aktuelle Raumfahrtmissionen werden noch weitere Einblicke ermöglichen: Die jüngsten Ergebnisse stammen vom Saturn, wo die Cassini-Sonde seit 2004 die Ringe und Trabanten inspiziert. Wie im folgenden Beitrag „Saturns Ringe – die Mondfabrik” zu lesen ist, sind die Planetologen dort gleichsam Zeugen der Geburt neuer Monde. ■
THORSTEN DAMBECK, promovierter Physiker, sortiert für bild der wissenschaft den Nachrichtenstrom aus den Tiefen des Sonnensystems.
von Thorsten Dambeck
Ein harter Schlag für die Urerde
Der kosmische Treffer, der die Mondgeburt auslöste, war wohl viel brachialer als bislang vermutet. Der einschlagende Urplanet, Theia genannt, war bereits weitgehend differenziert: Seine Eisenanteile hatten sich schon als Schmelze im Kern angesammelt. Ebenso verhielt es sich bei der Urerde. Im neuen Szenario rasten die Körper mit etwa 15 Kilometern pro Sekunde aufeinander zu. Nach dem Aufprall geriet nur wenig von Theias Metallkern in eine Erdumlaufbahn. Das erklärt, warum der Mond nicht so dicht ist wie die Erde. Durch die Wucht der Kollision wurde die Erde bis tief in den Mantel hinein um Tausende Grad stärker erhitzt als bei den bislang simulierten langsameren Kollisionen. Dadurch verlief die Durchmischung der inneren Schichten schneller, genau wie der Materialaustausch mit der „Atmosphäre” aus heißen, dampfförmigen Silikaten um die Urerde.
Kompakt
· Erd- und Mondgestein sind sich chemisch sehr ähnlich – ein Hinweis auf einen einst extrem heftigen Einschlag auf der Erde.
· Der Urplanet, mit dem die junge Erde zusammenstieß, könnte viel Wassereis enthalten haben.
· Noch heute kreisen ähnliche Körper um die äußeren Gasplaneten.
Gebremste Erde
Nach Computersimulationen US-amerikanischer Astronomen um Matij Cuk wurde die Erde bei der Mondentstehung viel härter getroffen als vermutet. In diesem Szenario hatte das Erde-Mond-System nach der gewaltigen Kollision bedeutend mehr Drehimpuls als heute – 180 Prozent so viel. Die Erde rotierte rasant – einmal alle 2,5 Stunden. Nachdem sich aus den Trümmern, die die Erde umkreisten, der Mond geformt hatte (1), dehnte sich dessen Orbit durch „Gezeitenreibung” zwischen Erde und Mond aus (2). Rund 9000 Jahre war der Mond noch stärker unter den Einfluss der Sonne geraten. Die Mondbahn nahm eine besondere Orientierung im Raum ein, sodass zwischen der Richtung zum erdnächsten Punkt der Mondbahn und der Richtung zur Sonne ein rechter Winkel entstand (3). Diese „Resonanz” hielt den Mond mehrere Zehntausend Jahre lang gefangen. Auch in dieser Konstellation wurde die Erddrehung durch den Gezeiteneinfluss des Mondes gebremst. Der konnte den zugehörigen Drehimpuls aber nicht aufnehmen, da die gravitative Ausrichtung zur Sonne dies verhinderte. Stattdessen übertrug der Mond den Drehimpuls auf das System von Erde und Sonne. Die Folge: Das Erde-Mond-System verlor Drehimpuls (4, 5). Nachdem der Mond aus dem Resonanzgefängnis ausgebrochen war, vergrößerte sich sein Orbit weiter. Angetrieben wurde diese Expansion durch die Gezeiten-Wechselwirkung mit der Erde. Dieser Effekt dauert bis heute an. Rund 100 000 Jahre nach der Mondgeburt hörte der Drehimpulsverlust des Erde-Mond-Systems weitgehend auf. Die Erdrotation war auf fast sechs Stunden abgebremst worden (6).
Falsche Hypothesen
Dass der Mond die Erde nicht schon immer umkreist hat, ahnte bereits René Descartes. Der Philosoph spekulierte (1664 posthum publiziert), die Erde habe ihren Trabanten einst eingefangen. Eine andere Hypothese stammt von George Howard Darwin. Der Sohn von Charles Darwin überlegte 1887, dass sich der Mond von der Erde „abgenabelt” haben könnte, als diese noch viel schneller rotierte als heute – die Fliehkräfte hätten das Mondmaterial aus dem Erdmantel herausgerissen. Der Geologe Osmond Fisher meinte 1882 sogar, die Tiefe des Pazifischen Ozeans stelle die bis heute sichtbare Narbe dieser Abspaltung dar. Besonders kurios mutet eine Überlegung von Ernst Öpik an. Der Astronom spekulierte 1955, der Mond hätte sich aus diversen Ausdünstungen der Urerde (Abdampfung) geformt. Bevor ab 1984 die Einschlags-Hypothese entwickelt wurde, war die Annahme am plausibelsten, dass sich Erde und Mond quasi nebeneinander im solaren Urnebel gebildet hätten. Dieses Geschwister-Modell wurde 1944 von Carl Friedrich von Weizsäcker formuliert – und schon von Immanuel Kant erwogen. Doch alle diese Modelle sind himmelsmechanisch unwahrscheinlich oder nicht möglich, können die Neigung der Mondbahn nicht erklären und passen nicht zur Zusammensetzung des Mond- und Erdgesteins.
