Die große Lücke

Diese Radiokarbon-Methode funktioniert nur über einen Zeitraum von einigen Zehntausend Jahren und bei organischen Proben. Für Planetenforscher kommt sie deshalb nicht infrage. Es gibt aber eine ganze Reihe von weiteren Zerfallsreihen für unterschiedliche Zeitskalen. Häufig verwendet wird der Zerfall von Uran-238 und -235 mit Halbwertszeiten von 4,5 Milliarden und 704 Millionen Jahren. Damit lässt sich das Alter von winzigen Körnchen in Chondriten bestimmen, den Kalzium-Aluminium-Einschlüssen (Ca-Al-rich Inclusions, CAI). Das höchste gemessene Alter von 4,567 Milliarden Jahren gilt heute als der Zeitpunkt Null bei der Entstehung des Sonnensystems. Die Entstehung der Sonne war damals noch gar nicht abgeschlossen – in ihrem Zentralbereich hatte die Kernfusion noch nicht eingesetzt.

Eine Zwei-Klassen-Gesellschaft

Die Isotopen-Analysen brachten noch mehr ans Licht. Vor zehn Jahren stieß Paul Warren von der University of California in Los Angeles auf einen seltsamen Befund, als er Verhältnisse von stabilen Chrom-, Titan- und Nickel-Isotopen in Meteoriten verglich: Unabhängig vom Meteoritentyp fielen die Ergebnisse in zwei deutlich voneinander getrennte Gruppen. So mancher Kollege schaute etwas neidisch auf Warren, denn der hatte keine einzige Messung selbst ausgeführt, sondern lediglich Daten aus der Fachliteratur zusammengetragen. Jeder andere hätte auch darauf kommen können. Warrens Schlussfolgerung: Die bisherige Klassifikation der Meteoriten und Planetoiden muss überdacht werden. „Die Bimodalität entspricht einer Trennung zwischen Materialien, die ursprünglich in zwei unterschiedlichen Regionen des Sonnensystems entstanden sind“, schrieb er – eine damals neue Vermutung.

Im Jahr 2016 untersuchte Gerrit Budde während seiner Doktorarbeit an der Universität Münster die Häufigkeitsverhältnisse von Molybdän-Isotopen. Auch hier zeigten sich die zwei Gruppen ganz deutlich. Budde sah damit Warrens Hypothese bestätigt, wonach „im frühen Sonnennebel zwei verschiedene Reservoire der Molybdän-Isotopen nebeneinander existierten, die mehrere Millionen Jahre lang räumlich getrennt blieben“.

Budde, sein Doktorvater Thorsten Kleine und weitere Planetologen gingen dieser seltsamen Meteoriten-Dichotomie weiter nach. Sie fügten ein Puzzleteil nach dem anderen in ein Modell ein, das die Entstehung von Planetoiden und Planeten widerspruchsfrei erklärt. Demnach lief die frühe Entwicklungsphase sehr schnell ab – und Jupiter spielte dabei eine herausragende Rolle.

Die Isotopen-Dichotomie trennt zwei Meteoritentypen voneinander: kohlige und nichtkohlige Meteoriten, kurz CC und NC genannt. Die CC unterscheiden sich von den NC durch ihren hohen Anteil an Kohlenstoff. Außerdem haben sie bei ihrer Entstehung Wasser eingebaut. Das spricht dafür, dass sich diese Meteoriten in den kühlen Außenbereichen des protosolaren Nebels gebildet haben.

Die im Innenbereich entstandenen NC enthalten weniger Wasser. Sie formten sich in Sonnennähe, wo es zu warm für die Kondensation flüchtiger Stoffe wie Wasser war. Deswegen weisen auch die drei großen Körper des inneren Sonnensystems Erde, Mond und Mars die Isotopen-Verhältnisse der NC auf.

Die Entdeckung der Dichotomie in den Isotopen-Verhältnissen von Molybdän war bedeutend, weil sich dieses Element im Gegensatz etwa zu Chrom und Titan in fast allen Meteoriten analysieren lässt – auch in Eisenmeteoriten, die sich ebenfalls in beiden Gruppen finden. Weil Thorsten Kleine und seine Kollegen Eisenmeteoriten sehr gut datieren können, fanden sie heraus, dass diese Brocken von Körpern stammen, die sehr früh entstanden sind – früher als die Chondriten. „Diese deutliche Trennung hat uns in der Annahme bestärkt, dass es im frühen Sonnensystem zwei Reservoire gab, die längere Zeit voneinander getrennt waren“, sagt Kleine.

Die Entstehung des Sonnensystems

Aus seiner Sicht geschah am Anfang Folgendes: Die präsolare Wolke rotierte, und die Zentrifugalkraft zog sie zu einer Scheibe auseinander. Im Zentralbereich verdichteten sich Staub und Gas weiter, die Protosonne wurde heißer, die umgebende Scheibe dehnte sich aus. Von außen strömte weiter Material, das vor allem die NC-Zusammensetzung besaß, in die Scheibe. Dieser Zustrom war wegen der Schwerkraft nah an der Sonne am größten, sodass die innere Scheibe nahezu komplett aus NC-Materie bestand. In die äußere Scheibe geriet wenig neue NC-Materie, weswegen dort überwiegend das ursprüngliche Material erhalten blieb.

Im Lauf der Zeit gelangten Staub und Gas auch von innen nach außen und vermischten sich dort mit dem Ursprungsmaterial. So entstand die CC-Zusammensetzung des äußeren Bereichs. Von Anfang an stießen in der Scheibe Staubteilchen zusammen und wuchsen zu millimeter- bis zentimetergroßen Körnern heran. Aber Außen- und Innenbereich vermischten sich irgendwann nicht mehr – ersichtlich daran, dass es sonst auch Meteoriten geben müsste, deren Isotopen-Zusammensetzung zwischen den beiden Gruppen liegt. Das wird jedoch nicht beobachtet: So gut wie alle von Planetoiden stammende Meteoriten gehören zu einer der beiden Gruppen, also den CC oder NC.

Kleine und sein Team haben mittlerweile in den CC- und NC-Meteoriten Verhältnisse verschiedener Isotope gemessen, die sich für die Altersdatierung eignen. Das ermöglichte es, die Entstehungsgeschichte dieser beiden Reservoire zu rekonstruieren. Das Ergebnis verdeutlicht, wie schnell die anfängliche Entwicklung ablief: Innerhalb der ersten 500.000 bis eine Million Jahre nach dem Zeitpunkt Null vor 4,567 Milliarden Jahren bildeten sich im inneren Bereich der Scheibe die NC-Eisenplanetoiden. Anschließend formierten sich in einem Zeitraum von 1,5 Millionen Jahren die Mutterkörper der Chondriten. Im äußeren CC-Bereich setzte die Entstehung der ersten Eisenplanetoiden ungefähr zeitgleich ein, erstreckte sich hier aber über vier Millionen Jahre.

„Alle Isotopen-Daten belegen, dass das innere NC- und das äußere CC-Reservoir schon früh separiert wurden und über mehrere Millionen Jahre hinweg nebeneinander existierten, ohne sich zu vermischen“, resümiert Kleine. Eine Isolation über einen so langen Zeitraum hinweg benötigt eine Barriere: „Da erscheint uns die Entstehung Jupiters als die überzeugendste Möglichkeit.“

Aufschlussreiche Magnetfelder

Unterstützung für diese Theorie kam kürzlich von einer Gruppe um Benjamin Weiss und Cauê Borlina vom Massachusetts Institute of Technology. Die Wissenschaftler maßen schwache Magnetfelder im Innern kleiner Meteoritenkörnchen, die seit ihrer Entstehung etwa zwei Millionen Jahre nach dem Zeitpunkt Null „eingefroren“ sind.

Das Ergebnis dieser paläomagnetischen Untersuchung überraschte die Forscher: Die Meteoriten aus dem äußeren CC-Bereich wiesen ein stärkeres Magnetfeld von etwa 100 Mikrotesla auf als die aus dem inneren NC-Bereich mit 50 Mikrotesla. (Zum Vergleich: Das Magnetfeld der Erde beträgt heute etwa 50 Mikrotesla.) Erwartet wurde eine Abnahme der Feldstärke vom Innenbereich der proto-planetaren Scheibe nach außen.

Die Interpretation ist in diesem Fall nicht so eindeutig wie bei den Isotopen-Messungen. Weiss und seine Kollegen kamen zu dem Schluss: „Die wahrscheinlichste Erklärung ist die Existenz einer Lücke zwischen der inneren und äußeren Region.“

Jupiters Einfluss

Planetenforscher haben schon vor langer Zeit vorausgesagt, dass ein entstehender Riesenplanet wie Jupiter eine ringförmige Lücke in der protoplanetaren Scheibe erzeugt. Ist erst einmal ein Gesteinskern mit ausreichender Größe entstanden, so fegt dieser gewissermaßen seine Bahn frei. Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile haben diese Vorhersage an Staubscheiben bei fernen jungen Sternen vielfach bestätigt.

Eine solche ringförmige Lücke verhindert die Wanderung von kleinen Körpern zwischen dem Außen- und Innenbereich. Alle bisherigen Messungen legen nahe, dass ein 10 bis 20 Erdmassen schwerer Jupiterkern innerhalb von nur 500.000 bis eine Million Jahren entstanden war; nach vier bis fünf Millionen Jahren erreichte er seine endgültige Größe von 318 Erdmassen. Das war eine ziemlich rasante Entwicklung, die sich aber mit der modernen Sicht der Planetenentstehung vereinbaren lässt.

Einigen Modellen zufolge besteht sogar die Möglichkeit, dass sich ringförmige Lücken in Scheiben ganz ohne den Einfluss eines jungen Planeten öffnen könnten. Die Jupiter-Hypothese erklärt aber noch eine andere Beobachtung: Im Planetoidengürtel tummeln sich sowohl NC- als auch CC-Körper. Thorsten Kleine und seine Kollegen vermuten, dass Jupiter mit seiner gewaltigen Schwerkraft Kleinkörper in den heutigen Planetoidengürtel hineingestreut hat und damit für eine Durchmischung der beiden Gruppen sorgte.

Jüngst gelang es der Münsteraner Forschergruppe auch, den Isotopen Informationen über die Entstehung von Erde und Mars zu entlocken. Ergebnis: Diese beiden Körper gehören in den Isotopen-Diagrammen wie erwartet zu den inneren NC-Körpern.

Die früheren Messungen waren so ungenau, dass eine Beimischung von Material aus dem Außenbereich nach wie vor denkbar war. Eine neue Hypothese zur Entstehung der inneren Planeten griff diese Möglichkeit auf: Demnach wanderten millimetergroße Staubklümpchen aus dem äußeren Sonnensystem in Richtung Sonne. Auf ihrem Weg stießen sie auf die Planetenvorgänger des inneren Sonnensystems, lagerten sich dort an und ließen sie zu ihrer heutigen Größe wachsen.

Ein internationales Team um Kleines Mitarbeiter Christoph Burkhardt nahm sich der Isotopen-Verteilung von Titan, Zirkonium und Molybdän an. Diese Metalle finden sich in den äußeren, silikatreichen Schichten von Mars und Erde. Während Erdgestein leicht zugänglich ist, mussten die Forscher beim Mars zu einem Trick greifen. Sie nutzten 17 auf der Erde geborgene Meteoriten, die vor langer Zeit bei Planetoideneinschlägen aus der Oberfläche unseres Nachbarplaneten herausgeschlagen und auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wurden, dass sie sein Schwerefeld verlassen konnten und schließlich mit der Erde zusammenstießen. Ihre Herkunft lässt sich anhand der charakteristischen Isotopen-Zusammensetzung identifizieren.

Burkhardt und seine Kollegen stellten den bisher umfassendsten Vergleich der Isotopen-Zusammensetzung von Erde, Mars und Meteoriten zusammen und kamen zu einem eindeutigen Ergebnis: Die äußeren Gesteinsschichten von Erde und Mars haben nur wenig mit den kohligen Chondriten des äußeren Sonnensystems gemein. Deren Anteil am ursprünglichen Baumaterial beider Planeten beträgt bloß etwa vier Prozent. „Hätten Erde und Mars während ihrer Entstehung hauptsächlich Staubkörnchen aus dem äußeren Sonnensystem angesammelt, müssten unsere Messwerte um fast das Zehnfache höher liegen“, sagt Thorsten Kleine. „Außerdem deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die wenigen aus dem Außenbereich stammenden CC-Körper bereits in der inneren Scheibe vorhanden waren, als der Mars nach etwa fünf Millionen Jahren seine endgültige Masse erreicht hatte.“

Relikte aus der Sonnenumgebung

Doch auch zu dem Material der inneren, nichtkohligen Chondriten passt die Zusammensetzung von Erde und Mars nicht gut. Die Modellrechnungen legen nahe, dass noch anders geartetes Baumaterial im Spiel gewesen ist. „Diese dritte Art muss ihren Ursprung im innersten Bereich des Sonnensystems haben“, sagt Christoph Burkhardt.

Da Gesteinsklümpchen aus solch großer Sonnennähe so gut wie nie in den Planetoidengürtel gestreut wurden, müssen sie fast vollständig in den inneren Planeten aufgegangen sein. In Meteoriten kommen sie nicht vor. „Es handelt sich um verlorenes Baumaterial, auf das wir heute keinen direkten Zugriff haben“, sagt Thorsten Kleine.

Die Entdeckung der NC-CC-Isotopendichotomie ermöglicht damit eine erstaunlich genau zeitliche Rekonstruktion der Entwicklung des frühen Sonnensystems. Kleine und seine Mitarbeiter wollen weitere Meteoriten untersuchen, um mehr darüber zu erfahren, wann und wo Materie aus dem All in den protosolaren Nebel geströmt ist.

Kleines Erkenntnisse, gewonnen mithilfe der winzigen Boten aus dem All, hat offensichtlich viele seiner Kollegen beeindruckt: Ende letzten Jahres wurde er zum Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung berufen, wo er seine Untersuchungen fortsetzen wird.