Vor 4,5 Milliarden Jahren sah das Sonnensystem noch ganz anders aus, denn unter anderem war die Erde zu jenem Zeitpunkt erst zu neunzig Prozent gebildet. Darüber hinaus gab es neben einer großen Anzahl an kleinen Asteroiden auch einen etwa marsgroßen Himmelskörper – und dieser befand sich auf Kollisionskurs zur Erde. David Rubie von der Universität Bayreuth beschreibt in unserem Podcast, wie diese Kollision zur Entstehung des Mondes geführt hat.
Der Mond ist der ständige Begleiter der Erde – und das bereits seit 4,5 Milliarden Jahren. Mit rund einem Viertel der Erdgröße ist er dabei nicht nur einer der größten Monde im Sonnensystem, sondern relativ zu seinem Planeten gesehen sogar der Größte aller Trabanten. Wie genau die Erde zu ihrem Begleiter kam, ist trotz jahrzehntelanger Forschung nach wie vor ein wissenschaftliches Rätsel. Immerhin sind sich Wissenschaftler inzwischen weitgehend einig, dass der Mond in einem gravierendem Ereignis entstand.
David Rubie von der Universität Bayreuth
David Rubie: „Der Mond ist durch eine Kollision eines etwa marsgroßen Körpers mit der Erde entstanden. Man schätzt, dass die Geschwindigkeit dieser Kollision dabei ungefähr zehn Kilometer pro Sekunde betragen hat.“
Diese sogenannte Kollisionstheorie gilt seit rund dreißig Jahren als beste Erklärung für die Entstehung des Mondes. Zu jenem Zeitpunkt sah das Sonnensystem noch ganz anders aus: Die noch junge Sonne war von einer großen Menge an Gesteinsbrocken und Asteroiden umgeben, aber auch die Vorläufer von Planeten, sogenannten Planetesimale, waren schon anzutreffen. Durch Zusammenstöße mit umhertreibendem Material wuchsen einige Kleinstplaneten schließlich zu Planeten an – auch die Erde. Vor 4,5 Milliarden Jahren hatte unser Planet wahrscheinlich rund neunzig Prozent seiner heutigen Größe erreicht, als er mit einem marsgroßen Protoplaneten zusammenstieß, der auch Theia genannt wird – nach einer Figur aus der griechischen Mythologie – nämlich der Mutter der Mondgöttin.
„Die Energie dieser Kollision war so enorm, dass ein Großteil der Erde geschmolzen ist und viel Material ausgeworfen wurde. Daraus hat sich eine Scheibe aus Gas und Staub um die Erde gebildet woraus der Mond entstanden ist.“
Innerhalb weniger Tausend Jahre formte sich der Erdtrabant. Zwar wird diese Kollisionstheorie derzeit von Wissenschaftlern favorisiert – auch weil sie gut zu den Beobachtungen passt, etwa was das Alter des Mondes oder seine Umlaufbahn um die Erde angeht. Es gibt aber durchaus noch offene Fragen – beispielsweise was die genaue Größe von Theia betrifft.
„Die ursprüngliche Idee sah vor, dass Theia so groß war wie der Mars. Aber inzwischen gibt es auch Forscher, die annehmen, dass Theia etwas größer war, vielleicht sogar so groß wie die Erde. Andere denken, dass sie vielleicht zwar relativ klein war, aber dass stattdessen die Kollisionsgeschwindigkeit sehr groß war.“
Auch die chemische Zusammensetzung des Mondes gibt noch Rätsel auf – denn die Isotopenhäufigkeiten der Elemente sollten laut der Kollisionstheorie eigentlich von denen der Erde abweichen. Ein Beispiel: Im Atomkern des häufigsten Sauerstoffisotops O16 befinden sich acht Protonen und acht Neutronen. Das Isotop O17 hingegen hat ein Neutron mehr in seinem Kern, besteht also aus acht Protonen und neun Neutronen. Über das Verhältnis der Isotope untereinander – beispielsweise die Mengen von O17 oder auch O18 – können Wissenschaftler auf den Ursprung von steinigem Material schließen. So unterscheiden sich etwa Erde und Mars in ihrem O17-Verhältnis um 0,03 Prozent, die Erde und der Asteroid Vesta um 0,025 Prozent.
„Die Isotope von verschiedenen Elementen auf der der Erde und im Mond stellen einen wichtigen Aspekt dar, denn der Mond ist der Erde sehr ähnlich. Das ist ein Problem, weil die ursprünglichen Simulationen gezeigt hatten, dass sich der Mond hauptsächlich aus dem Material des Impaktors, also Theia, gebildet haben sollte. Deshalb sollte er überwiegend aus dem Material von Theia bestehen. Dann ist aber nicht klar, warum die Isotopenzusammensetzung für verschiedene Elemente so ähnlich ist.“
Gut durchgemischt: Der Mond besteht aus demselben Material wie die Erde.
Eigentlich waren Wissenschaftler bei der Kollision zwischen Erde und Theia davon ausgegangen, dass Theia in einem relativ flachen Winkel die Erde streifte: Demnach wäre nach dem Aufprall hauptsächlich Material von Theia in der Umlaufbahn gelandet, woraus sich anschließend der Mond formte. Gesteinsproben, die Astronauten der Apollo-Missionen der US-Weltraumagentur NASA während ihrer Mondlandungen in den 1960er- und 1970er-Jahren gesammelt hatten, lieferten wichtige Hinweise. Während frühere Untersuchungen ergeben hatten, dass das Mondgestein dem irdischen Gestein sehr ähnlich ist, fand eine Forschergruppe vor einigen Jahren tatsächlich winzige Unterschiede in den Isotopenverhältnissen. Deshalb haben David Rubie und seine Kollegen neue Messungen und Simulationen durchgeführt und die Mengenverhältnisse des Sauerstoffs von lunarem und irdischem Gestein präzise vermessen.
„Meine Kollegen der UCLA in Los Angeles haben neue Messungen von Sauerstoffisotopen durchgeführt und dabei sowohl Gesteine von der Erde als auch Mondgestein analysiert. Sie haben herausgefunden, dass sich diese wirklich sehr ähnlich sind – fast identisch.“
Prinzipiell lässt sich natürlich nicht ausschließen, dass Theia und die Erde zufällig die gleichen Isotopenverhältnisse aufwiesen. Deshalb führte das Team um David Rubie Computersimulationen durch, in denen es die chemische Zusammensetzung bei der Planetenentstehung genau unter die Lupe nahm.
„Die Simulationen zeigen, dass die Erde wahrscheinlich durch einige Hundert Kollisionen entstanden ist. Für jede Kollision kann man eine Phase der Erdkernbildung simulieren, und daraus auch die Entwicklung der Zusammensetzung des Mantels und des Kerns simulieren. Wir haben einfach Sauerstoff-Isotope in ein solches Modell integriert.“
Im jungen Sonnensystem lag Sauerstoff vor allem in drei verschiedenen chemischen Bindungen vor und wird unterschiedlich in die Himmelskörper integriert.
„Da ist zum einen Wasser, das eine sehr hohe Sauerstoff-17 Isotop-Konzentration aufweist, und zum anderen Eisenoxid sowie Silikate. Wir haben Simulationen mit unterschiedlichen Werten für diese drei Komponenten durchgeführt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass sich die Zusammensetzungen von Theia und der Erde ursprünglich ähnelten.“
Mondgestein unterm Mikroskop
Deshalb sprechen die Ergebnisse von David Rubie und seinen Kollegen vor allem für ein bestimmtes Kollisionsszenario:
„Eine Erklärung für diese Beobachtung ist, dass nach der Kollision eine große Mischung zwischen dem Material von der Erde und von Theia stattgefunden hat. Dann kann man erklären, warum die Isotopenzusammensetzung so ähnlich ist.“
Anders ausgedrückt: Bei der Kollision von Theia und der Erde handelte es sich allem Anschein nach um einen Frontalaufprall. Dieser könnte die Erde und Theia komplett aufgeschmolzen und durchmischt haben – weshalb auch das in die Erdumlaufbahn geschleuderte Material dieses Mischungsverhältnis aufweist und der Mond der Erde heute so ähnlich ist.
Eine neue Analyse des Mondstaubs von Apollo 17 bringt die bislang ältesten Kristalle des Erdtrabanten zum Vorschein – und datiert seine Entstehung neu.
Eine neue Analyse von lunaren Gesteinsproben unterstützt die These, dass der Erdtrabant aus einer Kollision von Erde und einem marsgroßen Objekt hervorging.
Der Mond entstand vermutlich durch den Zusammenstoß eines marsgroßen Himmelskörpers mit der Urerde – die damals offenbar von einem Ozean aus flüssigem Magma bedeckt war.
