Wissenschaftler haben den Ursprung des Mondes entschlüsselt

Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren kollidierte ein großer Himmelskörper, der Protoplanet Teia, mit der jungen Erde. Dieser Einschlag veränderte die Größe und die Umlaufbahn unseres Planeten und führte zur Entstehung des Mondes. Aber woher Teia kam, welche Beschaffenheit er hatte und wie er sich von der Erde unterschied, war bisher unklar.

Eine neue Arbeit eines internationalen Teams unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung und der University of Chicago bietet eine Antwort: Teia scheint sich im inneren Teil des Sonnensystems gebildet zu haben und war ein "Nachbar" der Erde in der Umlaufbahn.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Zusammensetzung eines Himmelskörpers die Geschichte seiner Entstehung, einschließlich seiner Geburtsregion, bewahrt. Eine besondere Rolle spielen dabei die Isotopenverhältnisse - Varianten desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen im Kern. Im frühen Sonnensystem waren die Isotope nicht gleichmäßig verteilt: In der Nähe der Sonne war ihr Verhältnis anders als in den äußeren Regionen.

Das Team hat die Verhältnisse der Eisenisotope in den Gesteinen der Erde und des Mondes mit beispielloser Präzision gemessen. Dazu untersuchten sie 15 Erdproben und sechs Mondproben, die von den Astronauten der Apollo-Missionen geliefert wurden. Das Ergebnis bestätigte frühere Daten zu Chrom, Kalzium, Titan und Zirkonium: Die Isotopenzusammensetzung von Erde und Mond ist praktisch ununterscheidbar.

Die Ähnlichkeit allein sagt uns jedoch nicht direkt, wie Teia beschaffen war: Es sind verschiedene Szenarien möglich, von einem Mond, der fast vollständig aus Teia-Materie besteht, bis hin zu Varianten, bei denen das Gemisch aus Erde und Teia-Gestein stark vermischt ist.

Um diese Ungewissheit zu umgehen, gingen die Forscher den Weg des "Reverse Engineering" der Planeten. Da sie das Endergebnis kannten - die Übereinstimmung der Isotopenverhältnisse in Erd- und Mondgestein - berechneten sie, wie die Zusammensetzung und Größe von Teia und der frühen Erde ausgesehen haben könnte, um das beobachtete Bild zu erhalten.

Sie untersuchten nicht nur Eisen, sondern auch Isotope von Chrom, Molybdän und Zirkonium, die verschiedene Stadien der Planetenbildung "aufzeichnen". Schon vor der Kollision mit Teia trennte sich die junge Erde in Kern und Mantel: Eisen und Molybdän gingen in den metallischen Kern, während z.B. Zirkonium im Silikatmantel verblieb und die frühere Geschichte des Planetenwachstums festhielt. Das Eisen, das sich heute im Erdmantel befindet, muss den Berechnungen zufolge nach der Entstehung des Kerns eingetroffen sein - auch mit Teia.

Nach dem Vergleich all dieser Daten gingen die Wissenschaftler viele mathematisch mögliche Kombinationen der Zusammensetzung der frühen Erde und Teia durch - und verwarfen diejenigen, die nicht mit den Beobachtungen übereinstimmten.

Das überzeugendste Szenario, so der Hauptautor Timo Hopp, ist folgendes: Der Großteil des Baumaterials sowohl der Erde als auch von Teia stammt aus dem Inneren des Sonnensystems. Mit anderen Worten, diese Körper bildeten sich in engen Umlaufbahnen - sie waren Nachbarn.

Die Zusammensetzung der frühen Erde wird durch eine Mischung aus bekannten Meteoritenklassen gut beschrieben, von denen man annimmt, dass es sich um Fragmente alter Körper aus verschiedenen Zonen der protoplanetaren Scheibe handelt. Aber für Teia reicht eine einfache Kombination von bereits bekannten Meteoriten-"Rezepten" nicht aus. Die Modellierung zeigt, dass in seiner Zusammensetzung wahrscheinlich eine Substanz enthalten war, die noch näher an der Sonne als an der Erdumlaufbahn entstanden ist.

Das bedeutet, dass Teia im inneren Teil des Systems geboren worden sein könnte, zur Erdumlaufbahn wanderte und schließlich mit ihr kollidierte, wodurch der Mond entstand.