Internationaler Tag des Mondes am 20. Juli: Wie alt ist der Mond und wie entstand der Erdtrabant?
Kurz nach der Entstehung des Sonnensystems vor 4,46 Milliarden Jahren kam es zu dem wohl folgenreichsten Ereignis in der Geschichte unseres Planeten: Der marsgroße Himmelskörper Theia stieß mit der Ur-Erde zusammen. Aus den ins All geschleuderten Trümmern – einem Gemisch aus Materie von Theia und der Ur-Erde – entstand unser Mond.
Imago/Coverimages- Neue Studie erklärt scheinbar widersprüchliche Altersangaben zum Mond – Veröffentlichung in „Nature“.
- Nach Kollision mit Theia entstand der Mond aus Trümmern und kühlte über Jahrmillionen ab.
- Stärkere Gezeitenkräfte in Erdnähe heizten sein Inneres auf, was massiven Vulkanismus auslöste.
- Aufschmelzen der Kruste startete geologische Uhren neu; Zirkone bewahrten älteres Alter.
- Ergebnis: Mond dürfte zwischen 4,43 und 4,51 Milliarden Jahre alt sein, Vulkanismus um 4,35 Milliarden Jahre.
Die Zusammenfassung wurde durch künstliche Intelligenz erstellt.
Wenige hundert Millionen Jahre nach seiner Entstehung dürfte der Mond Schauplatz so ungeheurer vulkanischer Aktivität gewesen sein, dass seine gesamte Kruste mehrfach aufschmolz und sich komplett umwälzte. Statt auf seiner heutigen Bahn kreiste der Erdtrabant damals in größerer Nähe um die Erde.
Die dabei entstehenden Gezeitenkräfte heizten sein Inneres auf und lieferten so den „Antrieb“ für den heftigen Vulkanismus. Nur der Jupitermond Io, der bei Weitem vulkanisch aktivste Körper im Sonnensystem, bietet vergleichbare Bedingungen.
Diese Überlegungen vertreten Forscher der University of California Santa Cruz, des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen und des Collège de France, womit sie bisherige Widersprüche und Ungereimtheiten bezüglich des Alters des Mondes lösen. Die Studie ist im Fachmagazin „Nature“ erschienen.
Wenige hundert Millionen Jahre nach seiner Entstehung war der Mond heftiger vulkanischer Aktivität. Der Abstand zwischen Erde und Mond war damals deutlich kleiner als heute.
MPS/Alexey Chizhik- Der Internationale Tag des Mondes wird jedes Jahr am 20. Juli begangen. Er erinnert an die erste bemannte Mondlandung der Apollo-11-Mission im Jahr 1969, als Neil Armstrong und Buzz Aldrin als erste Menschen den Mond betraten.
Gesteinsproben vom Mond deuten auf jüngeres Mondalter
Der Erdtrabant gibt sein Alter offenbar nur ungern preis. Versuche seinem Geheimnis auf die Schliche zu kommen, liefern Schätzungen, die zum Teil einige hundert Millionen Jahre auseinanderliegen: Während einige Forschende vermuten, dass unser kosmischer Begleiter vor 4,35 Milliarden Jahren entstand, datieren andere seine Geburtsstunde auf einen Zeitpunkt vor 4,51 Milliarden Jahren.
Eine der auffälligsten Ungereimtheiten dabei ist von steinerner Natur: Fast alle Gesteinsproben vom Mond deuten auf das jüngere Mondalter. Aber einzelne, seltene Kristalle aus Zirkoniumsilikat - so genannte Zirkone – sind deutlich älter. Wie ist das möglich?
In der Studie gelingt es den Forschern, diesen Widerspruch zu lösen. Demnach schmolzen Teile der Kruste des Erdtrabanten nach seiner Entstehung noch einmal auf. Nur wenige Zirkone konnten diesen extremen Bedingungen unverändert trotzen.
Eine Kollision und ihre Folgen
Die Geschichte des Mondes beginnt mit einer gewaltigen Kollision. In den frühen Tagen des Sonnensystems krachte ein etwa Mars-großer Brocken in die noch junge Erde. Der Zusammenprall erzeugte so viel Hitze, dass unser Planet vollständig aufschmolz, und schleuderte eine riesige Menge an Material ins All.
Daraus ballte sich der Mond zusammen, zunächst bedeckt von einem riesigen Ozean aus heißem, flüssigem Gestein. In den folgenden Jahrmillionen kühlte der neu entstandene Körper ab und entfernte sich auf seinen Kreisbahnen immer weiter von der Erde, bis er seine heutige Umlaufbahn in einem Abstand von etwa 384.400 Kilometern erreichte.
Der genaue Zeitpunkt der Entstehung des Mondes bestimmt, ab wann er mit seiner Schwerkraft die Entwicklung der Erde beeinflusst hat.
Imago/CoverimagesDer Mond in der Frühphase seiner Entstehung
„Uns interessiert besonders die Phase, als der Abstand zwischen Erde und Mond in etwa ein Drittel der heutigen Entfernung betrug“, erklärt Francis Nimmo von der University of California Santa Cruz, Erstautor der Studie.
Zu diesem Zeitpunkt kam es zu verschiedenen Veränderungen in Lage und Form der Mondumlaufbahn. Unter anderem wurde sie elliptischer, so dass innerhalb jeder Umrundung die Geschwindigkeit des Mondes sowie sein Abstand zur Erde merklich variierte.
Jupitermond Io erinnert an Mond in seiner Frühphase
Die so wirkenden Kräfte „walkten“ sein Inneres so stark durch, dass er aufheizte. Eine ähnliche Situation ist noch heute vom Jupitermond Io bekannt, der ebenfalls auf leicht elliptischer Umlaufbahn um den Gasriesen reist. Die gewaltigen Gezeitenkräfte des Jupiters machen den kleinen Mond so zum vulkanisch aktivsten Körper im Sonnensystem. Der frühe Erdmond dürfte ihm kaum nachgestanden haben.
Den Berechnungen der Forscher zur Folge reichte der Wärmefluss aus dem Innern des Mondes aus, um den gesamten Mantel aufzuschmelzen und umzuwälzen. Zwar bedeckte in dieser Phase zu keinem Zeitpunkt ein Magma-Ozean den kompletten Mond.
Aber im Laufe mehrerer Millionen Jahre entlud sich die Hitze aus dem Innern nach und nach überall und verflüssigte Teile des Krustengesteins – möglicherweise sogar mehrfach. An manchen Stellen drang die heiße Lava an die Oberfläche, an anderen blieb sie unterhalb und erhitzte das darüberliegende Gestein.
Erst, als sich dieser „lunare Magma-Ozean“ an der Oberfläche ausreichend abgekühlt hatte, konnten sich dort feste Gesteine und damit auch Zirkon-Kristalle bilden. Da solche Kristalle gegen spätere Veränderungen nahezu immun sind, eignen sie sich besonders gut zur Altersbestimmung: Ihr Alter liefert einen Mindestwert für das Alter des Erdtrabanten.
Imago/StockTrek ImagesVerstellen der geologischen Uhr
Für die Altersbestimmung des Krustengesteins ist diese vulkanische Vorgeschichte maßgeblich. Wie auch irdisches Gestein enthält Mondgestein seit seiner Entstehung radioaktive Isotope. Das sind Spielarten bestimmter Atome, die radioaktiv zerfallen. Da ihre Zerfallszeiten bekannt sind, lässt sich aus der heutigen Konzentration auf das Alter des Gesteins schließen.
Die Hitze aus dem Innern des Mondes entlud sich nach und nach überall und verflüssigte Teile des Krustengesteins.
Imago/StockTrek ImagesDas Entscheidende ist nun: Solange das Gestein heiß ist, kann es Isotope mit seiner Umgebung austauschen. Wenn es abkühlt, friert seine aktuelle Zusammensetzung ein. Die eingeschlossenen radioaktiven Isotope beginnen zu zerfallen, die geologische Uhr zu ticken.
„Der starke Vulkanismus dürfte die geologische Uhr des Mondes neu gestartet und somit verstellt haben“, erläutert Thorsten Kleine, Direktor am MPS und Koautor der Studie. „Das Mondgestein verrät deshalb nicht sein ursprüngliches Alter, sondern nur, wann es das letzte Mal stark erhitzt war“, fügt er hinzu.
Gesteinsproben vom Mond verraten seine bewegte Geschichte
Zeugnis der weiter zurückliegenden Vergangenheit liefern nur einige wenige hitzebeständige Zirkone, wie die Rechnungen der Forscher zeigen. An einigen Stellen, an denen die Lava nicht bis zur Oberfläche drang, dürften sie so kühl geblieben sein, dass ihre innere Uhr nicht beeinträchtigt wurde.
„In ihrer Vielfalt verraten uns die Gesteinsproben vom Mond seine gesamte, bewegte Geschichte. Sie berichten von seiner Entstehung und seinem späteren heftigen Vulkanismus. Wir haben bisher diese Hinweise nur nicht richtig gelesen“, betont Kleine. Der Mond selbst dürfte demnach zwischen 4,43 und 4,51 Milliarden Jahre alt sein. Der heftige Vulkanismus prägte ihn vor etwa 4,35 Milliarden Jahren.
„In ihrer Vielfalt verraten uns die Gesteinsproben vom Mond seine gesamte, bewegte Geschichte. Sie berichten von seiner Entstehung und seinem späteren heftigen Vulkanismus.“
Imago Science Photo LibraryDes Rätsels Lösung
Die neuen Erkenntnisse lösen auch viele weitere Widersprüche, die Forscher bisher umgetrieben hatten. So sprachen gegen ein hohes Alter des Mondes seine vergleichsweise wenigen Krater. In so langer Zeit hätte unser Nachbar eigentlich mehr Einschläge kosmischer Brocken „einsammeln“ müssen.
Der spätere Vulkanismus bietet nun eine Erklärung. „Lava aus dem Innern des Mondes könnte die frühen Einschlagsbecken aufgefüllt und so unkenntlich gemacht haben“, berichtet Koautor Alessandro Morbidelli vom Collège de France.
Vor ein weiteres Rätsel stellte Forscher die Zusammensetzung des Mondmantels. Das ist die Gesteinsschicht, die sich direkt unterhalb der Mondkruste anschließt. Ihre Zutatenliste weicht von der der Erde in entscheidenden Punkten ab. War das Innere des Mondes jedoch ein zweites Mal aufgeschmolzen, könnten einige Stoffe vom Mantel in den darunterliegenden Eisenkern entschwunden sein.
„Durch die neuen Ergebnisse fügen sich alle Puzzleteile, die zuvor nicht zusammenpassen wollten, zu einem stimmigen Gesamtbild der Mondentstehung zusammen“, sagt Kleine.