Wann und wie hat sich der Mond gebildet?

Neue Studien bieten kontrastierende Szenarien für die Entstehung des Mondes. Eine spricht für einen einzigen großen Schlag zu Beginn der Geschichte des Sonnensystems; eine zweite sieht eine Reihe kleinerer Schläge vor, die den Mond im Laufe der Zeit aufbauten; und eine dritte deutet darauf hin, dass Wasser beteiligt war.

Angesichts der Fülle an Mondproben und der Leistungsfähigkeit moderner Laboranalysen sollte man meinen, dass Geochemiker mittlerweile genau wissen, wie der Mond entstanden ist. Aber dem ist nicht so – tatsächlich gibt es immer noch viele Debatten darüber, wie sich die Erde gebildet hat.

Hier ist das Grundproblem: Vor etwa 30 Jahren zeigten Dynamiker, dass ein Körper, der ungefähr die Masse des Mars hat, die Erde mit einem Schlag getroffen und genügend Trümmer in die Umlaufbahn geschleudert haben könnte, um sich zu einem Objekt von der Größe des Mondes zu sammeln. In praktisch allen diesen Simulationen stammt das meiste von dem, was auf dem Mond landet, vom Impaktor und nicht von der Erde.

Aber die Apollo- (und Luna-) Mondproben, ganz zu schweigen von den Mondmeteoriten, zeigen, dass Mond und Erde eine sehr ähnliche Zusammensetzung haben. Abgesehen von ihrem Mangel an Eisen und dem extremen Mangel an Wasser stimmen die Mondgesteine mit den Isotopenverhältnissen der Erde für die geochemisch diagnostischen Elemente Titan, Kalzium, Silizium und (vor allem) Sauerstoff und Wolfram überein. Das bringt die Dynamiker in die Enge – nur in seltenen Fällen, in 1 oder 2 % der Fälle, ergeben ihre Simulationen einen Mond mit erdähnlicher Zusammensetzung. Es gibt auch das Problem der Feinabstimmung des Einschlags, um den Drehimpuls des aktuellen Erde-Mond-Systems zu erhalten.

Ich habe über mögliche Lösungen für diese Rätsel (oder ist es „conundra“?) hier und hier geschrieben, aber keine Idee erfüllt alle Kriterien. Man kann sich vorstellen, dass der gigantische Impaktor und die Proto-Erde eine nahezu identische Zusammensetzung hatten – aber statistisch und intuitiv scheint das unwahrscheinlich.

In der Zeitschrift Nature Geoscience vom 9. Januar argumentieren die israelischen Forscher Raluca Rufu, Oded Aharonson und Hagai Perets, dass die Vorstellung eines einzigen, gigantischen Einschlags falsch ist. Stattdessen schlagen sie vor, dass die Erde Dutzende von kleineren (aber immer noch starken) Einschlägen mit Objekten von 1% bis 10% ihrer Masse ertragen hat, von denen jeder Trümmer in eine umlaufende Scheibe geschleudert hat. Die Ringe koagulierten schnell zu Mondsplittern, und die Gezeitenwechselwirkungen mit der jungen, größtenteils geschmolzenen Erde trieben sie dann nach außen. Mit der Zeit sammelten sie sich zum Mond an.

Dieser Ansatz ergibt eine Mondzusammensetzung, die ein Amalgam aus vielen Zusammensetzungen ist, was die unnachgiebigen isotopischen Beschränkungen erleichtert. Die erdähnlichsten Beiträge stammen von fast frontalen Kollisionen, die sich tief in den Mantel unseres Planeten gebohrt haben. Ein paar späte Stöße könnten den Drehimpuls des Systems so verändert haben, dass er mit dem heutigen übereinstimmt.

Wie Gareth Collins (Imperial College, London) in einer begleitenden News &-Ansicht bemerkt, „würden Einschläge mit geringerer Energie, die Mondsplitter bilden, Teile der Erde unversehrt lassen. Eindeutige, terrestrische geochemische Reservoirs könnten daher die Mondbildung überlebt haben.“ Und in der Tat haben Forscher Teile des Erdmantels identifiziert, die in ihrer Zusammensetzung nicht mit dem Rest unseres Planeten übereinstimmen.

Making the Moon: Langsam oder schnell?

Der stückweise Aufbau, den sich das israelische Team vorstellt, hätte lange gedauert, vielleicht sogar 100 Millionen Jahre – und das eröffnet einen weiteren Aspekt der Debatte um die Mondentstehung. Einige Planetenforscher haben in der Tat argumentiert, meist aus geochemischen Gründen, dass der Mond 150 bis 200 Millionen Jahre nach dem Beginn des Sonnensystems entstanden sein könnte. Andere behaupten, er sei viel früher entstanden, innerhalb weniger zehn Millionen Jahre.

Eine weitere neue Analyse, die am 11. Januar in Science Advances veröffentlicht wurde, behauptet, dass der Mond in Eile zusammenkam und vor 4,51 Milliarden Jahren, oder 60 Millionen Jahre nach der Geburt des Sonnensystems, größtenteils erstarrt war. Der Beweis, so Mélanie Barboni (University of California, Los Angeles) und sechs Kollegen, findet sich in acht winzigen Körnern des Minerals Zirkon (ZrSiO4), die von den Astronauten der Apollo 14 gesammelt wurden und in denen sie Spuren von Uran, Blei und Hafnium fanden, die zur isotopischen Altersbestimmung verwendet werden.

Vor einigen Jahren hatte eine andere Forschergruppe dieselben Körner analysiert und kam ebenfalls zu einem frühen Entstehungsalter. Doch dieses Ergebnis war mit großen Unsicherheiten behaftet, was an den verwendeten Techniken lag. Barbonis Team wiederholte die Altersbestimmung, indem es die Blei-Isotope, die durch den radioaktiven Zerfall von Uran-235 und -238 entstanden, sorgfältig maß und auch den Zerfall von Lutetium zu Hafnium untersuchte. Schließlich korrigierten die Forscher auch die Exposition der Mondproben gegenüber kosmischer Strahlung, die die Isotopenverhältnisse verfälschen kann. Sie sind der Meinung, dass das resultierende Alter von 4,51 Milliarden Jahren eine Unsicherheit von nicht mehr als 10 Millionen Jahren hat – und dass der Mond tatsächlich älter sein könnte.

Die Apollo-14-Zirkonkörner kristallisierten vermutlich aus dem tiefen lunaren Magma-Ozean (LMO), der direkt nach der Entstehung des Mondes existierte. Das wäre der Fall, wenn sich der Mond als weißglühende Trümmer nach einem einzigen katastrophalen Einschlag mit der Erde zusammengesetzt hätte – aber es ist weniger wahrscheinlich, wenn Dutzende von kleinen abgekühlten Mondsplittern zu einem einzigen Ganzen geronnen wären.

Wasser auf das Problem werfen

Als ob das Wie und Wann der Mondentstehung nicht schon kompliziert genug wäre, argumentiert eine dritte neue Analyse, dass der Mond – trotz seiner extremen Trockenheit heute – wahrscheinlich eine Menge Wasser enthielt, als er sich bildete. In der gleichen Ausgabe von Nature Geoscience beschreiben Yanhao Lin (Vrije Universiteit Amsterdam) und drei weitere Forscher ihre experimentellen Versuche, nachzuahmen, wie der Magma-Ozean des Mondes erstarrte. Mineralien mit geringerer Dichte wären nach oben geschwemmt worden und hätten eine Kruste gebildet.

Sie fanden heraus, dass die Mineralien, die heute in der Mondkruste gefunden werden, in Kombination mit ihrer Dicke dafür sprechen, dass Wasser in einer Konzentration von 270 bis 1.650 ppm Teil der Mischung war. Das mag nicht viel erscheinen – aber wenn es sich bewahrheitet, hätte das erhebliche Auswirkungen.

„Ein feuchter Start des Mondes, gepaart mit den starken Ähnlichkeiten zwischen der Zusammensetzung des Mondes und der Zusammensetzung der silikatischen Erde“, schlussfolgert Lins Team, „legt nahe, dass zur Zeit des mondbildenden Ereignisses ebenso hohe Konzentrationen von Wasser in der Erde vorhanden waren.“

Raluca Rufu et al. „A Multiple-Impact Origin for the Moon.“ Nature Geoscience. January 9, 2017.

Gareth S. Collins. „Punch Combo or Knock-out Blow?“ Nature Geoscience. January 9, 2017.

Mélanie Barboni et al. „Early Formation of the Moon 4.51 Billion Years Ago.“ Science Advances. January 11, 2017.

Yanhao Lin et al. „Evidence for an Early Wet Moon from Experimental Crystallization of the Lunar Magma Ocean.“ Nature Geoscience. January 9, 2017.

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