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
Mag­ma­ozean und ers­te Ge­steins­krus­te auf dem Mond
Bild 1/7, Credit: NASA/Goddard Space Flight Center

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.
Die Geburtsstunde des Mondes
Die Ge­burts­stun­de des Mon­des
Bild 2/7, Credit: Ron Miller

Die Geburtsstunde des Mondes

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.
Schematischer Aufbau des frühen Mondinneren
Sche­ma­ti­scher Auf­bau des frü­hen Mon­din­ne­ren
Bild 3/7, Credit: DLR/Maxime Maurice

Schematischer Aufbau des frühen Mondinneren

Nach­dem der Mond vor 4,425 Mil­li­ar­den Jah­ren ent­stan­den war, setz­te sich schwe­res Ma­te­ri­al aus dem sich ver­fes­ti­gen­den Mag­ma­ozean nach un­ten ab. Die schwers­ten Be­stand­tei­le bil­de­ten ei­nen me­tal­li­schen Kern, die leich­te­ren ei­nen si­li­ka­ti­schen Man­tel. Sol­ches aus dem Mag­ma­ozean ge­bil­de­tes Ge­stein wird auch als Ku­mu­lat be­zeich­net und ist schwe­rer als die ver­blei­ben­de Schmel­ze. Die Aus­nah­me: in ei­ner spä­ten Ent­wick­lungs­pha­se des Mag­ma­ozeans bil­det sich das Mi­ne­ral Pla­gio­klas, ein Alu­mi­ni­um-Kal­zi­um-Si­li­kat, das zur Grup­pe der Feldspä­te ge­hört. Pla­gio­klas ist leich­ter als die Schmel­ze und schwimmt auf der Ober­flä­che des Mag­ma­ozeans, wo es die frü­he Mond­krus­te bil­det. Das Aus­küh­len des Mon­des ge­schieht durch ver­schie­de­ne Wär­me­trans­port­pro­zes­se, dar­un­ter Kon­vek­ti­on im Mag­ma­ozean und im fes­ten Mond­man­tel, aber auch durch den Trans­port von Schmel­zen aus dem Man­tel­ku­mu­lat durch mag­ma­ti­sche Wär­me­kanä­le.
Anatomie des frühen Mondes
Ana­to­mie des frü­hen Mon­des
Bild 4/7, Credit: DLR/Maxime Maurice

Anatomie des frühen Mondes

Die­ses Mo­dell zeigt den Mond als Mo­ment­auf­nah­me in ei­nem frü­hen Zu­stand, als sich sei­ne Be­stand­tei­le zu ver­fes­ti­gen be­gan­nen. Die auf­schwim­men­de Krus­te (grau) bil­de­te ei­ne wär­me­iso­lie­ren­de Schicht über dem ver­blie­be­nen Mag­ma­ozean (gelb) und dem dar­un­ter lie­gen­den, noch teil­wei­se ge­schmol­ze­nen Mond­man­tel. Die Ab­küh­lung des Mond­man­tels ge­schah so­wohl durch Kon­vek­ti­on, al­so durch Um­wäl­zung von Ma­te­ri­al in rie­si­gen Zel­len (er­kenn­bar als blau-wei­ße Ab­wärts­s­trö­me), als auch durch das Auf­stei­gen von lo­ka­len Bla­sen aus Man­tel­schmel­ze, die durch die Kon­vek­ti­on ent­stan­den. Die­se hei­ßen Schmel­zen misch­ten sich in den ver­blie­be­nen Mag­ma­ozean und ver­lang­sam­ten so des­sen Ab­küh­lung. Durch die­sen Pro­zess und die zu­sätz­li­che Iso­la­ti­on durch die Krus­te dau­er­te es et­wa 200 Mil­lio­nen Jah­re, bis der Mag­ma­ozean voll­stän­dig ver­fes­tigt war.
Gesteins- und Staubproben vom Mond
Ge­steins- und Staub­pro­ben vom Mond
Bild 5/7, Credit: NASA/JSC

Gesteins- und Staubproben vom Mond

Ei­ne der wich­tigs­ten wis­sen­schaft­li­chen Auf­ga­ben der sechs Mond­lan­dun­gen zwi­schen 1969 und 1972 war das Sam­meln von Ge­steins­pro­ben und Pro­ben des Re­go­liths, des Mond­bo­dens. Da­mit soll­te her­aus­ge­fun­den wer­den, wie alt der Mond ist und wie er sich ent­wi­ckelt hat. Die Ana­ly­se der Mond­pro­ben hat ge­zeigt, dass die hel­len Be­stand­tei­le der Mond­ober­flä­che die über vier Mil­li­ar­den Jah­re al­te pri­märe, durch Ein­schlä­ge von Aste­ro­iden viel­fach um­ver­teil­te pri­märe Krus­te aus leich­te­ren Ge­stei­nen wie An­or­tho­sit re­prä­sen­tie­ren. Die von der Er­de mit bloßem Au­ge sicht­ba­ren dunk­len Flä­chen hin­ge­gen stam­men von ei­sen- und ma­gne­si­um­rei­chem Vul­ka­nis­mus, der erst meh­re­re hun­dert Mil­lio­nen Jah­re spä­ter ein­setz­te. Das Bild zeigt Alan Be­an, den Mond­fäh­ren­pi­lo­ten von Apol­lo 12, der zwei­ten Mond­lan­dung, mit ei­ner staub­ge­füll­ten Pro­ben­kap­sel. Im Vi­sier ist das Spie­gel­bild von Kom­man­dant Charles Con­rad zu se­hen.
Einer der ältesten Steine vom Mond
Ei­ner der äl­tes­ten Stei­ne vom Mond
Bild 6/7, Credit: NASA/JSC/AACO

Einer der ältesten Steine vom Mond

Für die Missi­on Apol­lo 16 wur­de ein Ziel im zen­tra­len Hoch­land der Mond­vor­der­sei­te aus­ge­wählt. Ein Ziel war, aus den dort an­zu­tref­fen­den Hoch­land­ge­stei­nen Ex­em­pla­re mit zur Er­de zu brin­gen, die ein mög­lichst ho­hes Al­ter auf­wei­sen, um ei­ne Vor­stel­lung da­von zu be­kom­men, wann der Mond ent­stan­den war und ei­ne ers­te Krus­te bil­de­te. Die Pro­be 60025 ist ein ei­sen­rei­cher An­or­tho­sit und ei­ner der drei äl­tes­ten Fels­bro­cken, der von den sechs Apol­lo-Missio­nen zur Er­de ge­bracht wur­de, ein Feld­spat­ge­stein mit ei­nem ho­hen An­teil an Alu­mi­ni­um und Kal­zi­um. Er er­starr­te vor 4,36 Mil­li­ar­den Jah­ren und spie­gelt das Er­star­ren ei­ner frü­hen, den Mag­ma­ozean be­de­cken­den Krus­te wi­der. Die Astro­nau­ten John Young und Charles Du­ke sam­mel­ten den in die­ser An­sicht knapp 20 Zen­ti­me­ter brei­ten und 1836 Gramm schwe­ren Stein 14 Me­ter ne­ben der Mond­fäh­re auf. Er ist grob­kör­nig und hat ei­nen klei­nen Be­lag aus schwar­zem ‚Ge­steins­glas‘, das als Schmel­ze nach ei­nem Ein­schlagser­eig­nis sehr schnell er­starr­te und kei­ne Kris­tal­le aus­bil­de­te.
Der Mond über der Erde – Extreme der Planetenentwicklung
Der Mond über der Er­de – Ex­tre­me der Pla­ne­ten­ent­wick­lung
Bild 7/7, Credit: Rolf Hempel

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.
  • Schwerpunkte: Planetenforschung, Planetengeophysik, Modellierung, Raumfahrt

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

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