Donnerstag, 3. April 2014

Forscher entdecken "geologische Uhr" zur Bestimmung der Entstehung des Mondes


Künstlerische Darstellung des Aufpralls eines etwa marsgroßen planetaren Körpers mit der jungen Erde, aus dem heraus - so die derzeit gängige Theorie - der Mond entstanden ist (Illu.). | Copyright: NASA/JPL/Caltech


Bayreuth (Deutschland) - Während Versuche, das Alter des Mondes mit Hilfe radiometrischer Methoden zu bestimmen, bislang immer zu unterschiedlichen Ergebnissen zwischen 30 und 100 Millionen Jahren nach Entstehung des Sonnensystems geführt haben, hat nun ein internationales Forschungsteam ein gänzlich neues Verfahren entwickelt und angewendet, um die Entstehungszeit unseres Mondes zu bestimmen - unabhängig vom radioaktiven Zerfall von Atomkernen im Mondgestein.

Wie die Forscher um Prof. Dr. David Rubie und Seth A. Jacobson vom Bayerischen Geoinstitut (BGI), an der Universität Bayreuth aktuell im Fachjournal "Nature" (DOI: 10.1038/nature13172) berichten, ist der Mond demnach frühestens 63 Millionen Jahre und spätestens 127 Millionen Jahre nach unserem Sonnensystem entstanden. Genauer genommen, entstand der Erdtrabant erst nachdem sich vor rund 4,6 Milliarden Jahren aus der gasförmigen protoplanetaren Scheibe um unsere Sonne die ersten Planeten herausgebildet haben.


Damit bestätigt die neue Altersbestimmung des Mondes einige, aber nicht alle bisherigen Datierungen und widerlegt insbesondere jene Berechnungen, welche die Entstehung des Mondes deutlich früher - nämlich schon rund 30 Millionen Jahre nach dem Ursprung des Sonnensystems - angesetzt hatten.



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Die Forschungsarbeiten, die schließlich zur neuen Altersbestimmung des Mondes geführt haben, zielten zunächst darauf ab, genauere Erkenntnisse über die Entstehung von Merkur, Venus, Erde und Mars zu gewinnen, berichtet die Pressemitteilung der Universität Bayreuth. "Diese Planeten werden als 'terrestrische Planeten' oder auch als 'innere Planeten' des Sonnensystems bezeichnet. Sie haben sich dadurch herausgebildet, dass viele Tausende von planetarischen Kleinkörpern um die Sonne rotierten und dabei allmählich zu größeren Massen zusammengewachsen sind. Diese Akkumulation, die für die Entwicklungsgeschichte der terrestrischen Planeten bestimmend gewesen ist, haben die Wissenschaftler in über 250 Computersimulationen nachgeahmt."


In ihren Untersuchungen knüpften die Wissenschaftler an eine Hypothese zur Entstehung des Erdmondes an, die in der Fachwelt als gut begründet gilt und sich weitgehend durchgesetzt hat: Laut dieser ist im Verlauf der Entstehungsgeschichte der terrestrischen Planeten ist ein planetenähnlicher, etwa marsgroßer Körper (Theia) auf die noch junge Erde geprallt, die sich zu diesem Zeitpunkt bereits als Planet mit festem Gesteinsmantel herausgebildet hatte. Infolge dieses Aufpralls wurden riesige Wolken von Staub und Gesteinsbrocken in die Erdumlaufbahn geschleudert. Hier akkumulierten sie zu einer immer größeren Masse: dem heutigen Mond.



Gleichzeitig aber löste der aufgeprallte planetare Körper auf der Erde erhebliche Schmelzprozesse aus. Dabei wurde Eisen, das im Mantel der Erde eingelagert war, geschmolzen und sank aufgrund seiner hohen Dichte zur Mitte der Erde, wo es den Erdkern bildete. Nicht nur Eisen, sondern auch diejenigen chemischen Elemente, die als "siderophil" (also als "eisenliebend") bezeichnet werden, weil sie vorzugsweise zusammen mit Eisen auftreten, wurden aus dem Mantel gelöst. Sie wanderten ebenfalls in den Erdkern. Es handelt sich dabei unter anderem um Gold, Iridium, Ruthenium, Rhenium, Osmium und Platin. Dies bedeutet: Während sich in der Erdumlaufbahn der Mond bildete, waren im Erdmantel keine oder fast keine siderophilen Elemente mehr vorhanden.


Der heutige Erdmantel enthält nun aber bekanntlich erhebliche Anteile von siderophilen Elementen. Diese, da sich Planetenforscher und Astrophysiker einig, gelangten nach dem beschrieben Zusammenprall ("Giant impact") mit größeren und kleineren Gesteinsmengen aus dem Sonnensystem auf der Erde gelangt. Im Laufe von Jahrmillionen haben sie die Masse der Erde stetig vergrößert, und sie haben dabei auch den Erdmantel wieder mit siderophilen Elementen "aufgefüllt".


Die geochemische Forschung kann diese Anteile siderophiler Elemente im Erdmantel mit hoher Genauigkeit bestimmen. Aufgrund von empirischen Daten und theoretischen Berechnungen hat sich herausgestellt: "Die Zunahme der Erdmasse nach dem 'Giant impact' ist proportional zum Anstieg der siderophilen Elemente im Erdmantel verlaufen", so die Forscher. Deshalb lässt sich aus den heutigen Konzentrationen dieser Elemente im Erdmantel zuverlässig ableiten, wie viel die Erde in den Millionen von Jahren nach dem großen Aufprall zugenommen hat; oder anders gesagt: wie groß die Gesamtmasse der Gesteinsmengen ist, die danach auf die Erde eingestürzt sind. Neuesten geochemischen Berechnungen zufolge sind weniger als 1 Prozent der heutigen Erdmasse auf diesen Zuwachs zurückzuführen.


Und genau an diesem Punkt setzte das Team um Prof. Rubie und Jacobson an. Die Planetologen und Astrophysiker haben die Forschungsarbeiten, in denen sie die Herausbildung der terrestrischen Planeten im Sonnensystems simuliert haben, im Hinblick auf die Frage ausgewertet, wann es ein Zeitfenster gegeben hat, in dem sich die Erdmasse in dieser Weise vergrößern konnte - und dieses Zeitfenster auch tatsächlich entdeckt.


"Weil der 'Giant impact' sich unmittelbar vor diesem Zeitraum ereignet haben muss, lässt sich nun auch die Entstehung des Mondes entsprechend datieren: nicht eher als 63 Millionen Jahre nach dem Ursprung des Sonnensystems, aber auch nicht mehr als 127 Millionen Jahre später", so die Forscher.


"Unsere Simulationen haben uns in Verbindung mit der geochemischen Forschung eine geologische Uhr in die Hand gegeben, mit denen wir planetengeschichtliche Prozesse wie die Entstehung des Mondes völlig unabhängig von radiometrischen Verfahren datieren können", erklärt Prof. Rubie. "Wir sind also nicht mehr länger abhängig von der Messung und Interpretation des radioaktiven Zerfalls in Atomen – und kommen zugleich zu genaueren Ergebnissen."


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