30. September 2021
Neue Erkenntnisse zur Entstehung erdähnlicher Planeten

Hef­ti­ges „Bom­bar­de­ment" der Pla­ne­ten im frü­hen Son­nen­sys­tem

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Asteroid Vesta
As­te­ro­id Ves­ta
Bild 1/5, Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Asteroid Vesta

Der 1807 ent­deck­te und 525 km große Him­mels­kör­per Ves­ta ist nach dem Zwerg­pla­ne­ten Ce­res das zweit­größ­te Ob­jekt des As­te­roi­den­gür­tels und so­mit der größ­te As­te­ro­id. Er ver­eint rund acht Pro­zent der ge­sam­ten Mas­se des Aste­ro­iden-Haupt­gür­tels in sich. Das In­ne­re von Ves­ta ist ‚dif­fe­ren­ziert‘, das heißt, dass sich nach der Ent­ste­hung des Aste­ro­iden die an­fangs mit­ein­an­der ho­mo­gen ver­misch­ten Be­stand­tei­le ent­mischt und ge­trennt ha­ben. Die durch den Zer­fall ra­dio­ak­ti­ver Ele­men­te frei­ge­setz­te Wär­me führ­te zur Ent­ste­hung von Schmel­zen. Die von schwe­ren Ele­men­ten wie Ei­sen do­mi­nier­ten Kom­po­nen­ten san­ken ins Zen­trum des Kör­pers, wäh­rend die an leich­te­ren Be­stand­tei­len wie Si­li­kat­ge­stei­nen rei­chen Schmel­zen auf­stie­gen. Da­durch ent­stan­den ein Ei­sen­kern, ein Si­li­kat­man­tel und ei­ne ei­sen- und mang­ne­si­um­rei­che Krus­te aus ba­sal­ti­schen Ge­stei­nen.
Modell der Stoffumwälzungen im Inneren von Vesta
Mo­dell der Stof­fum­wäl­zun­gen im In­ne­ren von Ves­ta
Bild 2/5, Credit: W. Neumann (2019)

Modell der Stoffumwälzungen im Inneren von Vesta

Wäh­rend der frü­hen Ent­wick­lungs­pha­se von Ves­ta fan­den im In­ne­ren des Aste­ro­iden kon­vek­ti­ven Um­wäl­zun­gen statt. Die in der Hül­le ge­zeig­te di­men­si­ons­lo­se Tem­pe­ra­tur steigt mit der Tie­fe an. In die­ser sta­gnant-lid-Si­tua­ti­on (et­wa ‚fest­sit­zen­der De­ckel‘) ist das Ge­stein bei der viel zu nied­ri­gen Tem­pe­ra­tur starr und un­be­weg­lich. Un­ter dem ‚De­ckel‘ die­ser un­be­weg­li­chen Krus­te Ve­stas fin­det kon­vek­ti­ve Zir­ku­la­ti­on statt: ein Auf­stei­gen wär­me­rer Ge­stei­ne und ein Ab­sin­ken ab­ge­kühl­ter Ge­steins­mas­sen. Die di­men­si­ons­lo­se Kon­vek­ti­ons­ge­schwin­dig­keit zeigt ‚Plu­mes‘ an, Bla­sen auf­stei­gen­den, wär­me­ren und we­ni­ger dich­te­ren Ma­te­ri­als bzw. ab­sin­ken­des, käl­te­res und dich­te­res Ma­te­ri­al.
Meteorite von Vesta im polarisierten Licht
Me­teo­ri­te von Ves­ta im po­la­ri­sier­ten Licht
Bild 3/5, Credit: NASA/Universität Tennesse

Meteorite von Vesta im polarisierten Licht

Die­ses Bild zeigt drei Dünn­schlif­fe von ‚HED‘-Me­teo­ri­ten Me­teo­ri­ten (v.l. Ho­war­dit-, Eu­krit- und Dio­ge­nit) im po­la­ri­sier­ten Licht, von de­nen die Dawn-Missi­on be­stä­tigt hat, dass sie vom rie­si­gen Aste­ro­iden Ves­ta stam­men. Das Zu­sam­men­füh­ren von nu­me­ri­schen Mo­del­lie­run­gen, Be­ob­ach­tun­gen am Aste­ro­iden Ves­ta und ein Ver­gleich mit der che­misch-mi­ne­ra­lo­gi­schen Zu­sam­men­set­zung von Ves­ta-Me­teo­ri­ten führ­te zu der Er­kennt­nis, dass Ves­ta sehr viel frü­her ei­ner um­fang­rei­chen Ein­schlagse­rie großer Ge­steins­kör­per aus­ge­setzt war als bis­lang an­ge­nom­men.
Howardit-Meteorit vom Asteroiden Vesta
Ho­war­dit-Me­teo­rit vom Aste­ro­iden Ves­ta
Bild 4/5, Credit: Hap McSween (Universität Tennessee) und Andrew Beck/Tim McCoy (Smithsonian Institution)

Howardit-Meteorit vom Asteroiden Vesta

Die so­ge­nann­ten HED-Me­teo­ri­ten (Ho­war­di­te, Eu­kri­te und Dio­ge­ni­te; Bild: der 1942 ge­fun­de­ne Bu­nu­nu-Ho­war­dit) sind ei­ne Grup­pe von Me­teo­ri­ten, die sehr wahr­schein­lich al­le vom Aste­ro­iden Ves­ta stam­men.
Die Dawn-Mission am Asteroiden Vesta
Die Dawn-Missi­on am Aste­ro­iden Ves­ta
Bild 5/5, Credit: NASA/JPL-Caltech

Die Dawn-Mission am Asteroiden Vesta

Dawn (‚Mor­gen­rö­te‘) war ei­ne NA­SA-Missi­on der Dis­co­ve­ry-Klas­se und star­te­te 2007 zu ei­ner For­schungs­rei­se in den Aste­ro­iden-Haupt­gür­tel zwi­schen Mars und Ju­pi­ter. Ers­tes Ziel der Missi­on war der As­te­ro­id Ves­ta, der zwi­schen Ju­li 2011 und Sep­tem­ber 2012 aus un­ter­schied­lich ho­hen Um­lauf­bah­nen be­ob­ach­tet wur­de. Mit den vier In­stru­men­ten an Bord von Dawn wur­de Ves­ta fast kom­plett kar­tiert, die mi­ne­ra­lo­gi­sche Zu­sam­men­set­zung des Aste­ro­iden er­forscht und sein ge­nau­es Gra­vi­ta­ti­ons­feld be­stimmt. An­schlie­ßend flog die Dawn-Son­de zu ih­rem zwei­ten Ziel, dem Zwerg­pla­ne­ten Ce­res.
  • Asteroid Vesta war viele Millionen Jahre früher heftigem Bombardement durch andere Körper ausgesetzt.
  • Davon waren vor 4,5 Mrd. Jahren auch die Erde und die Planeten im inneren Sonnensystem betroffen.
  • Das zusätzliche Material mischte sich mit dem heißen Inneren des Asteroiden und findet sich in Meteoriten.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration des Sonnensystems, Asteroiden, Meteoriten

Die etwa 500 Kilometer große Vesta ist der größte Asteroid. Wie ihre zahlreichen Begleiter im Asteroidengürtel gehört sie zur „Urmaterie" des Sonnensystems. Eine in Nature Astronomy veröffentlichte Studie kommt nun zu dem Schluss: Vesta war sehr viel früher einer zweiten umfangreichen Einschlagserie großer Gesteinskörper ausgesetzt als bislang angenommen. Dies lässt den Rückschluss zu, dass das ganze innere Sonnensystem deutlich zeitiger von diesem sogenannten späten „Bombardement" betroffen war und damit alle erdähnlichen Planeten. Diese Beobachtung liefert damit auch wichtige Erkenntnisse zur Frühphase unserer Erde. Zu dieser Schlussfolgerung kommt ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von Geowissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Universität Heidelberg, der Freien Universität Berlin und dem Museum für Naturkunde Berlin. Bereits während der Entstehung erlebte Vesta ein erstes großes Bombardement-Ereignis, das aber nicht die Zusammensetzung des Mantels erklären kann.

Für die heute veröffentlichte Studie führte Dr. Wladimir Neumann vom DLR-Institut für Planetenforschung sowie dem Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg zahlreiche Modellrechnungen der thermischen Entwicklung Vestas durch. Dadurch konnte der Zeitraum der frühen Einschläge besser eingegrenzt werden. „Damit das Material der einschlagenden Körper dem Gesteinsmantel der jungen Vesta überhaupt einigermaßen homogen beigemischt werden kann, muss dieser heiß genug sein und sich, von der inneren Wärme angetrieben, konvektiv umwälzen“, erklärt Dr. Neumann die Analysen. „Unsere Modelle haben ergeben, dass dies nur für Einschläge innerhalb der kurzen Zeitspanne vor 4,56 bis etwa 4,50 Milliarden Jahren zutrifft, also fast unmittelbar nach der Entstehung der Planeten im inneren Sonnensystem.“

Aufregende Landschaften am Südpol von Vesta
Aufregende Landschaften am Südpol von Vesta
Diese aus einem digitalen Geländemodell berechnete Ansicht des Asteroiden Vesta zeigt einen Schrägblick auf die von Einschlägen zerklüftete Südpolarregion. Das Bild hat eine Auflösung von etwa 300 Metern pro Pixel und der vertikale Maßstab ist um das 1,5-fache gegenüber dem horizontalen Maßstab überhöht. Der Berg in der Bildmitte ragt etwa 20 Kilometer aus dem Rheasilvia-Becken heraus.
Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Seltene Meteoriten liefern wichtige Indizien

Bislang ging man davon aus, dass die Hauptphase dieser Bombardierung erst einige hundert Millionen Jahre später erfolgte, etwa zu der Zeit, als auf dem Mond einige der großen Einschlagskrater entstanden. Für den Erdmond und wohl auch für die anderen terrestrischen Planeten zeichnet sich durch diese Untersuchung jedoch ab: Die Hauptmasse dieser „Bombardierung" erreichte die Planeten sehr früh nach ihrer Entstehung ähnlich wie bei Vesta.

Dieser Befund beruht neben Modellierungen auf Analysen von Meteoriten irdischer Sammlungen, deren Mutterkörper mit großer Wahrscheinlichkeit Vesta ist – die sogenannten „HED-Meteoriten". Die Abkürzung beruht auf den Anfangsbuchstaben einer Untergruppe seltener Steinmeteoriten, den Howarditen, Eukriten und Diogeniten, die Ähnlichkeiten mit magmatischen Gesteinen auf der Erde aufweisen. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung müssen sie von einem schon „differenzierten" planetaren Körper stammen, in dem sich schwere, metallische Elemente in einem Kern angereichert haben, der von einem leichteren Gesteinsmantel und einer noch leichteren Kruste umgeben war und magmatische Prozesse Veränderungen verursacht haben.

Planetare Körper wuchsen durch das Bombardement weiter

Numerische Simulationen und Untersuchungen mit der NASA-Raumsonde Dawn aus den Jahren 2011 und 2012 an Vesta zeigen heute ein neues Bild von der Chronologie der Kollisionsgeschichte im frühen Sonnensystem. Die erdähnlichen Planeten im frühen Sonnensystem wuchsen zunächst durch das Zusammenballen winziger, aneinanderhaftender Staubkörner, im Endstadium dann durch Einschläge immer größerer Gesteinskörper. Dies trifft auch auf den Asteroiden Vesta zu. Während des Wachstumsprozesses heizte sich Vesta in der Frühphase ihrer Entwicklung immer stärker auf, sodass ein oberflächennaher Magmaozean aus geschmolzenem Silikatgestein sowie ein flüssiger metallischer Kern im Inneren entstanden.

Im Laufe der Zeit schlugen andere Körper auf der Kruste von Vesta ein, wodurch auch Material ins All geschleudert und ins innere Sonnensystem transportiert wurde. So gelangten gelegentlich Gesteinstrümmer von Vesta als Meteorite auf die Erde. Chemische Analysen dieser Meteorite haben gezeigt, dass auch nach der Bildung von Vestas Kern weitere kosmische Einschläge die Zusammensetzung von Kruste und Mantel des Asteroiden verändert haben. „Diese Materialzufuhr war in der Frühphase jedoch deutlich größer als danach“ erläutert Professor Harry Becker von der Freien Universität Berlin, einer der Autoren der Untersuchung. Vesta wurde von mindestens zwei sehr großen Körpern aus dem Asteroiden-Hauptgürtel getroffen, wovon zwei mehrere hundert Kilometer große Einschlagsbecken am Südpol zeugen, die mit einer vom DLR und der Max-Planck-Gesellschaft entwickelten Kamera an Bord der Dawn-Mission entdeckt wurden.

Spuren gewaltiger Kollisionen auf Vesta
Spuren gewaltiger Kollisionen auf Vesta
Die Oberfläche des Asteroiden Vesta weist am Südpol zwei riesige, sich überlagernde Einschlagskrater mit etwa 400 und 500 Kilometern Durchmesser auf – Rheasilvia und Veneneia. Im geometrischen Mittelpunkt von Rheasilvia ragt ein 20 Kilometer hoher Zentralberg auf, der beim Zurückfedern der Oberfläche nach dem Einschlag entstand. Dabei wurde viel Material von Vesta weggeschleudert und es entstanden zahlreiche neue, kleinere Asteroiden, die sogenannten Vestoiden. Einige Bruchstücke sind als Meteoriten bis zur Erde gelangt.
Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Auch die Erde hatte einen Magmaozean und eine glühend heiße Atmosphäre

Zudem stammen die einschlagenden Körper offenbar nicht, wie bislang vermutet, aus dem heutigen Asteroidengürtel, sondern aus dem inneren Sonnensystem, in dem sich die erdähnlichen Planeten gebildet haben. „Für unsere Erde unterstreicht dies nochmals die Bedeutung einer frühen heißen Phase mit einem Magmaozean, der durch große Einschläge fortlaufend erneuert wurde. In dieser Zeit war die erste Atmosphäre der Erde über viele Millionen Jahre glühend heiß. Erst viel später konnten sich Wasserozeane bilden, indem der heiße Wasserdampf abkühlte und abregnete“, erläutert Prof. Dr. Kai Wünnemann vom Museum für Naturkunde und der FU Berlin.

Die Forschungsarbeiten an der Universität Heidelberg wurden von der Klaus Tschira Stiftung gefördert. Die Beiträge aus Berlin und Münster sind Teil des Sonderforschungsbereichs-Transregio TRR 170 „Late Accretion onto Terrestrial Planets" der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. An der internationalen Studie beteiligt waren außerdem Wissenschaftler der Macau University of Science and Technology (Macau), der Université de Nice Sophia-Antipolis (Frankreich), der University of California at Davis und der University of California San Diego (beide USA), der Universität Bayreuth, dem Planetary Science Institute in Tucson (USA), und dem Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Originalpublikation:

M.-H. Zhu, A. Morbidelli, W. Neumann, Q.-Z. Yin, J.M.D. Day, D.C. Rubie, G.J. Archer, N. Artemieva, H. Becker, K. Wünnemann: Common feedstocks of late accretion for the terrestrial planets. Nature Astronomy (30 September 2021), https://doi.org/10.1038/s41550-021-01475-0

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