Laut Chemie ist der Mond der verschobene Mantel der Proto-Erde

Messungen eines Elements im Erd- und Mondgestein haben gerade die führenden Hypothesen zur Entstehung des Mondes widerlegt.

Winzige Unterschiede in der Trennung der Kaliumisotope zwischen Mond und Erde blieben bis vor Kurzem unterhalb der Nachweisgrenzen analytischer Techniken verborgen. Doch im Jahr 2015 entwickelten der Geochemiker Kun Wang von der Washington University in St. Louis, damals Postdoktorand des Harvard Origins of Life Initiative Prize, und Stein Jacobsen, Professor für Geochemie an der Harvard University, eine Technik zur Analyse dieser Isotope , mit der sich die Genauigkeit zehnmal verbessern lässt als die beste bisherige Methode.

Wang und Jacobsen berichten nun über Isotopenunterschiede zwischen Mond- und Erdgesteinen, die den ersten experimentellen Beweis liefern, der zwischen den beiden führenden Modellen für die Entstehung des Mondes unterscheiden kann. In einem Modell werden die Proto-Erde und der Mond durch einen Einschlag mit geringer Energie in eine Silikatatmosphäre gehüllt; Im anderen Fall verdampft ein viel heftigerer Aufprall den Impaktor und den größten Teil der Proto-Erde und dehnt sich aus, um eine riesige supraflüssige Scheibe zu bilden, aus der schließlich der Mond kristallisiert.

Die Isotopenstudie , die das Hochenergiemodell unterstützt, wurde am 12. September in der Vorab-Onlineausgabe von Nature veröffentlicht. „Unsere Ergebnisse liefern den ersten stichhaltigen Beweis dafür, dass der Einschlag die Erde tatsächlich (weitgehend) verdampft hat“, sagte Wang, Assistenzprofessor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Arts & Sciences.

Eine Isotopenkrise

Mitte der 1970er-Jahre schlugen zwei Gruppen von Astrophysikern unabhängig voneinander vor, dass der Mond durch eine streifende Kollision zwischen einem marsgroßen Körper und der Protoerde entstanden sei. Die Rieseneinschlagshypothese, die viele Beobachtungen erklärt, wie etwa die Größe des Mondes im Verhältnis zur Erde und die Rotationsgeschwindigkeiten von Erde und Mond, wurde schließlich zur führenden Hypothese für den Ursprung des Mondes.

Im Jahr 2001 berichtete ein Wissenschaftlerteam jedoch, dass die Isotopenzusammensetzungen verschiedener Elemente in terrestrischen und Mondgesteinen nahezu identisch sind. Analysen von Proben, die von den Apollo-Missionen in den 1970er Jahren mitgebracht wurden, zeigten, dass der Mond die gleichen Häufigkeiten der drei stabilen Sauerstoffisotope aufweist wie die Erde.

Das war sehr seltsam. Numerische Simulationen des Einschlags sagten voraus, dass der größte Teil des Materials (60–80 Prozent), das im Mond verschmolz, vom Impaktor und nicht von der Erde stammte. Aber Planetenkörper, die in verschiedenen Teilen des Sonnensystems entstanden sind, haben im Allgemeinen unterschiedliche Isotopenzusammensetzungen, die so unterschiedlich sind, dass die Isotopensignaturen als „Fingerabdrücke“ für Planeten und Meteoriten desselben Körpers dienen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass der Impaktor zufällig die gleiche Isotopensignatur wie die Erde hatte, war verschwindend gering.

Die Giant-Impact-Hypothese hatte also ein großes Problem. Es könnte mit vielen physikalischen Eigenschaften des Erde-Mond-Systems übereinstimmen, nicht jedoch mit deren Geochemie. Die Studien zur Isotopenzusammensetzung hatten eine „Isotopenkrise“ für die Hypothese geschaffen.

Zunächst dachten Wissenschaftler, dass präzisere Messungen die Krise lösen könnten. Genauere Messungen von Sauerstoffisotopen, die 2016 veröffentlicht wurden, bestätigten jedoch nur, dass die Isotopenzusammensetzungen nicht unterscheidbar sind. „Das sind die genauesten Messungen, die wir durchführen können, und sie sind immer noch identisch“, sagte Wang.

Eine Ohrfeige, eine Ohrfeige oder ein Schlag?

„Also beschlossen die Leute, die Hypothese der riesigen Auswirkungen zu ändern“, sagte Wang. „Das Ziel bestand darin, einen Weg zu finden, den Mond hauptsächlich aus der Erde und nicht hauptsächlich aus dem Impaktor herzustellen. Es gibt viele neue Modelle – jeder versucht, eines zu entwickeln – aber zwei waren sehr einflussreich.“

Im ursprünglichen Modell des Rieseneinschlags schmolz der Aufprall einen Teil der Erde und den gesamten Impaktor und schleuderte einen Teil der Schmelze nach außen, wie Ton von einer Töpferscheibe.

Ein 2007 vorgeschlagenes Modell fügt eine Silikatdampfatmosphäre um die Erde und die Mondscheibe (die Magmascheibe, die der Rückstand des Impaktors ist) hinzu. Die Idee ist, dass der Silikatdampf den Austausch zwischen der Erde, dem Dampf und dem Material in der Scheibe ermöglicht, bevor der Mond aus der geschmolzenen Scheibe kondensiert.

„Sie versuchen, die Isotopenähnlichkeiten durch Hinzufügung dieser Atmosphäre zu erklären“, sagte Wang, „aber sie gehen immer noch von einem niederenergetischen Aufprall wie im ursprünglichen Modell aus.“

Aber der Austausch von Material über eine Atmosphäre sei sehr langsam, sagte Wang. Sie hätten nie genug Zeit, um das Material gründlich zu vermischen, bevor es wieder auf die Erde zurückfällt.

Ein anderes Modell, das 2015 vorgeschlagen wurde, geht daher davon aus, dass der Einschlag extrem heftig war, so heftig, dass der Impaktor und der Erdmantel verdampften und sich vermischten, um eine dichte Schmelz-/Dampfmantelatmosphäre zu bilden, die sich ausdehnte und einen Raum füllte, der mehr als 500-mal größer als die heutige Erde war . Als diese Atmosphäre abkühlte, kondensierte daraus der Mond.

Die gründliche Durchmischung dieser Atmosphäre erkläre die identische Isotopenzusammensetzung von Erde und Mond, sagte Wang. Die Mantelatmosphäre war eine „überkritische Flüssigkeit“ ohne ausgeprägte Flüssigkeits- und Gasphasen. Überkritische Flüssigkeiten können wie ein Gas durch Feststoffe strömen und wie eine Flüssigkeit Materialien auflösen.

Warum Kalium entscheidend ist

Das Nature-Papier berichtet über hochpräzise Kaliumisotopendaten für eine repräsentative Probe von Mond- und Erdgesteinen. Kalium hat drei stabile Isotope, aber nur zwei davon, Kalium-41 und Kalium-39, kommen in ausreichender Menge vor, um für diese Studie mit ausreichender Präzision gemessen zu werden.

Wang und Jacobsen untersuchten sieben Mondgesteinsproben aus verschiedenen Mondmissionen und verglichen ihre Kaliumisotopenverhältnisse mit denen von acht terrestrischen Gesteinen, die repräsentativ für den Erdmantel sind. Sie fanden heraus, dass das Mondgestein um etwa 0,4 Promille des schwereren Kaliumisotops Kalium-41 angereichert war.

Der einzige Hochtemperaturprozess, der die Kaliumisotope auf diese Weise trennen könnte, sei die unvollständige Kondensation des Kaliums aus der Dampfphase während der Mondentstehung, sagte Wang. Im Vergleich zum leichteren Isotop würde das schwerere Isotop bevorzugt aus dem Dampf fallen und kondensieren.

Berechnungen zeigen jedoch, dass dieser Prozess, wenn er im absoluten Vakuum ablaufen würde, zu einer Anreicherung schwerer Kaliumisotope in Mondproben von etwa 100 Promille führen würde, viel höher als der von Wang und Jacobsen ermittelte Wert. Aber höherer Druck würde die Fraktionierung unterdrücken, sagte Wang. Aus diesem Grund sagen er und sein Kollege voraus, dass der Mond bei einem Druck von mehr als 10 Bar kondensiert, was etwa dem Zehnfachen des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe auf der Erde entspricht.

Ihre Feststellung, dass die Mondgesteine mit dem schwereren Kaliumisotop angereichert sind, spricht nicht für das Silikatatmosphärenmodell, das vorhersagt, dass Mondgesteine weniger schwerere Isotope enthalten als terrestrische Gesteine, was das Gegenteil von dem ist, was die Wissenschaftler herausgefunden haben.

Stattdessen unterstützt es das Mantelatmosphärenmodell, das vorhersagt, dass Mondgesteine mehr schwerere Isotope enthalten als terrestrische Gesteine.

Die Kaliumisotope, die seit Milliarden von Jahren stumm waren, haben nun endlich eine Stimme gefunden, und sie haben eine ziemliche Geschichte zu erzählen.