Der Mond wurde durch die Kollision eines marsgroßen Körpers mit der frühen Erde geboren, aber darüber hinaus ist vieles über die Welt, die wir jede Nacht am Himmel sehen, immer noch ein Rätsel. Nach 61 Missionen, darunter sechs Astronautenbesuche, bei denen Proben von Mondgesteinen gesammelt wurden, bleiben viele Fragen offen, darunter, wie viel Mond von den Überresten dieses verlorenen Planeten stammt und wie viel von der Erde gestohlen wurde? Die Beantwortung dieser Fragen könnte neue Einblicke in die Entwicklung beider Himmelskörper bieten.
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Jetzt haben Wissenschaftler in Frankreich und Israel Beweise dafür gefunden, dass der kleinere Körper, der in die Proto-Erde eingeschlagen ist, wahrscheinlich aus ähnlichen Materialien wie unsere Heimatwelt besteht. Ihren Computermodellen zufolge ist die derzeitige Zusammensetzung des Mondmaterials am besten zu erklären, wenn das, was auch immer die frühe Erde traf, sich in der Nähe bildete. Zwei weitere Studien legen nahe, dass beide Körper dann ein Furnier aus zusätzlichem Material aufbauten, während kleinere Protoplaneten das junge System weiter beschossen, aber die Erde hat viel mehr von dieser späteren Beschichtung aufgenommen.
Nach der "Riesen-Aufprall-Hypothese" entstand der Mond vor etwa 4, 5 Milliarden Jahren, als ein planetähnliches Objekt etwa ein Zehntel der gegenwärtigen Erdmasse auf unseren Planeten prallte. Simulationen und neuere Untersuchungen von Mondgesteinen legen nahe, dass der Mond hauptsächlich aus den Überresten des Impaktors mit dem Spitznamen Theia bestehen sollte. Dies würde erklären, warum der Mond aus Material zu bestehen scheint, das dem Erdmantel sehr ähnlich sieht, wie es in Gesteinsmustern und Mineralkarten zu sehen ist.
Das Problem ist, dass Planeten dazu neigen, unterschiedliche Zusammensetzungen zu haben. Mars, Merkur und große Asteroiden wie Vesta haben alle ein etwas unterschiedliches Verhältnis verschiedener Elemente. Wenn Theia an einer anderen Stelle im Sonnensystem entstanden wäre, hätte sich seine Zusammensetzung von der der Erde unterscheiden und die Masse des Mondes sollte nicht so ähnlich wie der Erdmantel aussehen.
Um das Rätsel zu lösen, analysierten Alessandra Mastrobuono-Battisti und Hagai Perets vom Israel Institute of Technology Daten aus Simulationen von 40 künstlichen Sonnensystemen und verwendeten dabei mehr Computerleistung als in früheren Arbeiten. Das Modell vergrößerte die bekannten Planeten und eine hypothetische Anzahl von Planetesimalen und ließ sie dann in einem Spiel des kosmischen Billards los.
Die Simulationen gehen davon aus, dass Planeten, die weiter von der Sonne entfernt geboren wurden, eine höhere relative Häufigkeit von Sauerstoffisotopen aufweisen, basierend auf der beobachteten chemischen Mischung auf der Erde, auf dem Mond und auf dem Mars. Das bedeutet, dass Planetesimale, die in der Nähe der Erde entstanden sind, ähnliche chemische Spuren aufweisen sollten. "Wenn sie in derselben Nachbarschaft leben, werden sie aus ungefähr demselben Material hergestellt", sagt Perets.
Das Team stellte fest, dass bei großen Einschlägen mit 20 bis 40 Prozent häufig Kollisionen zwischen Körpern auftraten, die sich in einem ähnlichen Abstand von der Sonne bildeten und daher ein ähnliches Make-up aufwiesen. Die Arbeit, die diese Woche in Nature beschrieben wurde, untermauert die intuitive Vorstellung, dass es unwahrscheinlicher ist, dass etwas in Sie eindringt und Sie aus der Ferne trifft, und trägt wesentlich dazu bei, die Masse des Mondes zu erklären.
So weit so gut, aber das erklärt nicht alles. Es gibt immer noch ein Rätsel, das mit dem Überfluss des Elements Wolfram zusammenhängt. Dieses siderophile oder eisenliebende Element sollte im Laufe der Zeit in Richtung der Kerne der Planeten sinken, wodurch sein Überfluss in verschiedenen Körpern viel variabler wird, selbst wenn sie sich eng nebeneinander bilden. Das liegt daran, dass Körper unterschiedlicher Größe Kerne mit unterschiedlichen Raten bilden. Während sich der Aufprall ein wenig vermischt, wäre der größte Teil des wolframreichen Mantelmaterials von Theia in die Umlaufbahn geschleudert und in den Mond eingearbeitet worden, sodass die Wolframmenge auf der Erde und auf dem Mond sehr unterschiedlich sein sollte.
In zwei unabhängigen Studien, die ebenfalls in der Natur erschienen, untersuchten Thomas Kruijer von der Universität Münster und Mathieu Touboul von der Universität Lyon in Frankreich das Verhältnis von zwei Wolframisotopen - Wolfram-184 und Wolfram-182 - in Mondgesteinen und auf der Erde als Ganzes. Die Mondfelsen haben etwas mehr Wolfram-182 als die Erde, berichten die Teams.
Dies ist faszinierend, da dieses bestimmte Wolframisotop aus dem radioaktiven Zerfall eines Isotops des Elements Hafnium stammt. Die Halbwertszeit beträgt nur 9 Millionen Jahre. Während eisenliebendes Wolfram zum Kern hin sinkt, bleibt das Hafniumisotop näher an der Oberfläche und wandelt sich im Laufe der Zeit in Wolfram-182 um. Dadurch verbleibt ein Überschuss an Wolfram-182 im Mantel eines Planeten im Vergleich zu Wolfram-184 und anderen natürlichen Isotopen.
Der Unterschied zwischen Erde und Mond ist relativ gering: Die beiden Studien haben einen Wert von 20 bis 27 ppm ermittelt. Aber selbst diese winzige Verschiebung würde eine Menge chemischer Feinabstimmung erfordern, sagt Kruijer, was es unwahrscheinlich macht, dass es nur ein Zufall war. "Die Veränderung des Wolframs um nur ein Prozent oder so hat einen dramatischen Effekt", sagt er. "Die einzige Lösung wäre, wenn der Mantel aus Proto-Erde einen ähnlichen Wolfram-182-Gehalt hätte wie Theia und der Kern des Impaktors direkt mit dem der Erde verschmelzen würde."
Das ist jedoch nicht wahrscheinlich. Während ein Großteil des Kerns von Theia, der schwerer als sein Mantel ist, als Teil der Erde verbleibt, vermischt sich der Mantel mit dem der Erde, wenn er in die Umlaufbahn geschleudert wird. Je mehr der Mond wächst, desto mehr mischt er sich. Der Anteil des Kern- und Mantelmaterials von Theia, der in den Mond verwandelt wird, ist zufällig, aber es musste mindestens Kernmaterial vorhanden sein, sagt Kruijer. Toubouls Team kam zu einer ähnlichen Schlussfolgerung: Wenn die Unterschiede in der Wolframhäufigkeit auf zufällige Vermischung zurückzuführen sind, während Theias Innereien mit denen der Erde schwappten, sollten der Planet und der Mond noch unterschiedlicher sein als sie sind.
Die einfachste Lösung, so die Autoren, scheint die Hypothese des "späten Furniers" zu sein, wonach die Erde und der Protomond mit ähnlichen Verhältnissen von Wolframisotopen begannen. Die Erde, die größer und massiver ist, würde nach dem Aufprall weiterhin mehr Planetesimale anziehen und dem Mantel neues Material hinzufügen. Das Furnier dieser Planetesimale hätte mehr Wolfram-184 im Vergleich zu Wolfram-182 gehabt, während der Mond das vom Aufprall abgeleitete Verhältnis beibehalten hätte.
"Das sieht nach soliden Daten aus", sagt Fréderic Moynier, Kosmochemiker und Astrophysiker am Institut de Physique du Globe in Paris, per E-Mail. "Es passt zur gegenwärtigen Theorie des späten Furniers, die einfach auf der elementaren Fülle der siderophilen Elemente (darunter Wolfram) basiert: Es gibt einfach zu viele siderophile Elemente im gegenwärtigen Erdmantel (sie sollten alle im Kern sein). und deshalb müssen sie nach der Kernbildung durch Meteoriteneinschläge auf die Erde gebracht worden sein. "
Ein Rätsel bleibt: Damit der Protomond das Wolframverhältnis der Erde erreicht, müssen Theia und die Erde mit sehr ähnlichen Wolframhäufigkeiten begonnen haben. Die Lösung dieses Rätsels wird die Aufgabe zukünftiger Planetenstudien sein, aber zumindest für den Moment sieht die Geschichte mit dem Ursprung des Mondes etwas klarer aus.
