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Baumaterialien für Erde und Mars stammen aus innerem Sonnensystem

Forschungsteam untersuchte Isotopen-Zusammensetzung von Gesteinsplaneten im inneren Sonnensystem

Erde und Mars sind aus Material entstanden, das zum größten Teil aus dem inneren Sonnensystem stammt; nur ein kleiner Anteil der „Baustoffe“ dieser beiden Planeten haben ihren Ursprung jenseits der Umlaufbahn des Jupiters. Zu diesem Ergebnis kommt eine Gruppe von Forschern unter Leitung der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ legen sie nun den bisher umfassendsten Vergleich der Isotopen-Zusammensetzung von Erde, Mars und ursprünglichem Baumaterial des inneren und äußeren Sonnensystems vor. Ein Teil dieses Materials findet sich noch heute weitgehend unverfälscht in Meteoriten. Für unsere Vorstellungen vom Entstehungsprozess der sonnennächsten Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars haben die Ergebnisse der Studie weitreichende Konsequenzen. Sie widerlegt die Theorie, wonach die vier Gesteinsplaneten durch das Ansammeln von nur Millimeter großen Staubklümpchen aus dem äußeren Sonnensystem auf ihre heutige Größe anwuchsen.

In der Geburtsstunde unseres Sonnensystems vor etwa 4,6 Milliarden Jahren kreiste eine Scheibe aus Staub und Gasen um die noch junge Sonne. Zwei Theorien beschreiben, wie sich aus diesem ursprünglichen Baumaterial im Laufe von Millionen von Jahren die inneren Gesteinsplaneten bildeten. Gemäß der älteren Theorie ballte sich der Staub zu immer größeren Brocken zusammen, die im inneren Sonnensystem nach und nach etwa die Ausmaße unseres Mondes erreichten. Aus Zusammenstößen dieser Planeten-Vorgänger gingen schließlich Merkur, Venus, Erde und Mars hervor. Eine neuere Theorie hingegen beschreibt einen anderen Wachstumsprozess: Demnach wanderten millimetergroße Staubklümpchen aus dem äußeren Sonnensystem Richtung Sonne. Auf ihrem Weg stießen sie auf die Planetenvorgänger des inneren Sonnensystems, lagerten sich dort an und verhalfen ihnen Schritt für Schritt zu ihrer heutigen Größe.

Beide Theorien beruhen auf Modellrechnungen und Computersimulationen, die die Verhältnisse und Bewegungen im frühen Sonnensystem nachspielen; beide beschreiben einen möglichen Weg der Planetenentstehung. Doch welche hat recht? Welcher Vorgang hat sich tatsächlich zugetragen? Um diese Frage zu klären, haben die Forscher von der WWU, dem Observatoire de la Côte d’Azur (Nizza, Frankreich), dem California Institute of Technology (Pasadena, USA), dem Museum für Naturkunde (Berlin) und der Freien Universität Berlin in ihrer aktuellen Studie auf die genaue Zusammensetzung der Gesteinsplaneten Erde und Mars geschaut. „Wir wollten herausfinden, ob das Baumaterial von Erde und Mars dem äußeren oder inneren Sonnensystem entstammt“, erklärt Erstautor Dr. Christoph Burkhardt von der WWU. Entscheidende Hinweise geben Isotope der seltenen Metalle Titan, Zirkonium und Molybdän, die sich in den äußeren, silikatreichen Schichten beider Planeten in winzigen Spuren finden. Isotope bezeichnen dabei verschiedene Spielarten desselben Elements, die sich allein durch das Gewicht ihres Atomkerns unterscheiden.

Meteoriten als Referenz

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese und weitere Metallisotope im frühen Sonnensystem nicht gleichmäßig verteilt waren. Vielmehr hing ihre Häufigkeit vom Abstand von der Sonne ab. Die Isotopenhäufigkeiten geben somit Aufschluss darüber, wo im frühen Sonnensystem das Baumaterial eines Körpers entstand.

Als Referenz für das ursprüngliche Isotopen-Inventar im äußeren und inneren Sonnensystem dienen den Forschern zwei Arten von Meteoriten. Diese Gesteinsbrocken haben ihren Weg in aller Regel aus dem Asteroidengürtel, dem Bereich zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter, zur Erde gefunden. Sie gelten als weitgehend unverändertes Material aus den Anfängen des Sonnensystems. Während sogenannte kohlige Chondrite, die geringe Anteile an Kohlenstoff enthalten können, jenseits der Jupiterbahn entstanden sind und erst später durch den Einfluss des wachsenden Gasriesen in den Asteroidengürtel umsiedelten, sind ihre kohlenstoff-ärmeren Cousins, die nicht-kohligen Chondrite, echte Kinder des inneren Sonnensystems.

Die genaue Isotopen-Zusammensetzung der zugänglichen, äußeren Gesteinsschichten der Erde und die beiden Meteoriten-Arten sind bereits seit einiger Zeit erforscht, ergleichbar umfassende Analysen von Marsgestein gab es bisher nicht. In ihrer aktuellen Studie untersuchten die Forscher Proben von 17 Marsmeteoriten, die sich sechs typischen Arten von Marsgestein zuordnen lassen. Zudem gingen die Wissenschaftler erstmals den Spuren gleich drei verschiedener Metallisotope nach.

Die Proben der Marsmeteoriten wurden zunächst pulverisiert und chemisch vorbehandelt. Mit Hilfe eines Multikollektor-Plasma-Massenspektrometers am Institut für Planetologie der WWU spürten die Forscher die winzigen Mengen von Titan-, Zirkonium- und Molybdän-Isotopen auf. Am Computer simulierten die Wissenschaftler, in welchem Verhältnis Baumaterial, das sich heute in kohligen und nicht-kohligen Chondriten findet, eingetragen worden sein muss, um die gemessenen Werte zu reproduzieren. Die Ergebnisse der Forscher zeigen, dass die äußeren Gesteinsschichten von Erde und Mars nur wenig mit den kohligen Chondriten des äußeren Sonnensystems gemein haben. Ihr Anteil am ursprünglichen Baumaterial beider Planeten beträgt nur rund vier Prozent. „Hätten die Vorgänger-Planeten von Erde und Mars hauptsächlich Staubkörnchen aus dem äußeren Sonnensystem angesammelt, müsste diese Wert um fast das Zehnfache höher liegen“, betont Prof. Dr. Thorsten Kleine von der WWU, der zudem Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen ist. „Diese Theorie von der Entstehung der inneren Planeten können wir somit nicht bestätigen.“

Verlorenes Baumaterial

Doch auch zu dem Material der nicht-kohligen Chondrite passt die Zusammensetzung von Erde und Mars nicht genau. Die Modellrechnungen legen nahe, dass weiteres, anders geartetes Baumaterial im Spiel gewesen sein muss. „Diese dritte Art von Baumaterial muss ihren Ursprung im innersten Bereich des Sonnensystems haben. Das lässt sich aus der Isotopenzusammensetzung schließen, die unseren Rechnungen zur Folge vorliegen muss“, erklärt Christoph Burkhardt. Da Gesteinsklümpchen aus solch großer Sonnennähe so gut wie nie in den Asteroidengürtel gestreut wurden, gingen sie fast vollständig in den inneren Planeten auf. In Meteoriten kommen sie nicht vor. „Es handelt sich um ,verlorenes Baumaterial‘, auf das wir heute keinen direkten Zugriff mehr haben“, sagt Thorsten Kleine.

Der überraschende Fund ändert nichts an den Konsequenzen der Studie für die Theorien zur Planetenentstehung. „Dass Erde und Mars offenbar hauptsächlich Material aus dem inneren Sonnensystem enthalten, passt gut zu der Planetenentstehung aus den Zusammenstößen großer Körper im inneren Sonnensystem“, schlussfolgert Christoph Burkhardt.

Originalpublikation

Christoph Burkhardt, Fridolin Spitzer, Alessandro Morbidelli, Gerrit Budde, Jan. H. Render, Thomas S. Kruijer, Thorsten Kleine: Terrestrial planet formation from lost inner solar system material, Science Advances, 22. Dezember 2021. DOI:


Links:

  • Originalpublikation in der Fachzeitschrift “Science Advances”
  • Arbeitsgruppe Kosmochemie und Isotopengeochemie an der WWU Münster

Quelle: Pressemitteilung / Pressestelle der Universität Münster (upm)




Raumsonde BepiColombo fliegt auf dem Weg zum Merkur an der Erde vorbei

Schwerkraft-Bremsmanöver am 10. April 2020

Beobachtung der Mondvorderseite mit Spektrometer “MERTIS” nach 20-jähriger Vorbereitung

Am Karfreitag () wird die ESA-Raumsonde „BepiColombo“ in den frühen Morgenstunden mit mehr als 30 Kilometern pro Sekunde auf die Erde zufliegen. Um Uhr Mitteleuropäischer Sommerzeit passiert sie, von der Tagseite kommend, über dem Südatlantik in Kilometern Höhe den Punkt der größten Annäherung und fliegt dadurch auf der Nachtseite weiter in Richtung des inneren Sonnensystems – nun etwas langsamer als sie angekommen ist. Das sogenannte Flyby-Manöver an der Erde dient vor allem dazu, BepiColombo ohne den Einsatz von Treibstoff ein wenig abzubremsen, um die Raumsonde auf einen Kurs zur Venus zu bringen. Mit zwei Nahvorbeiflügen an der Venus ab dem 16. Oktober dieses Jahres wird BepiColombo auf einer Flugbahn sein, die zum Ziel der sechsjährigen Reise führt: einer Umlaufbahn um den innersten Planeten des Sonnensystems Merkur.

Für Planetenforscher des Instituts für Planetologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist das eine einmalige Gelegenheit zu einem besonderen Experiment am Mond: Ohne Störungen durch die Erdatmosphäre wird die von der Sonne angestrahlte Vorderseite des Mondes mit dem bildgebenden Infrarot-Spektrometer „MERTIS“ (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer) schon am 9. April erstmals in den Wellenlängen des thermalen Infrarot beobachtet und auf ihre mineralogische Zusammensetzung untersucht. Am Merkur soll MERTIS die Zusammensetzung und die Mineralogie der Oberfläche und das Planeteninnere des Merkur untersuchen.

„Der Mond und der gar nicht mal viel größere Planet Merkur haben Oberflächen, die in vielerlei Hinsicht ähnlich sind“, erklärt Prof. Harald Hiesinger von der WWU, wissenschaftlicher Leiter des MERTIS-Experiments. Er freut sich nach Jahrzehnten der Mondforschung auf die jetzt anstehenden Messungen. „Wir bekommen zum einen neue Informationen zu gesteinsbildenden Mineralen und den Temperaturen auf der Mondoberfläche und können die Ergebnisse später mit denen am Merkur vergleichen.“ Sowohl der Mond als auch der Merkur sind zwei fundamental wichtige Körper, um das gesamte Sonnensystem zu verstehen. „Von den Beobachtungen mit MERTIS erhoffe ich mir viele aufregende Ergebnisse. Nach rund 20 Jahren intensiver Vorbereitungen ist es am Donnerstag endlich soweit – wir erhalten die ersten wissenschaftlichen Daten unseres Instruments aus dem Weltraum“, betont Harald Hiesinger.

Die wissenschaftliche Auswertung der Daten erfolgt gemeinsam durch die beteiligten Institute in Münster, Berlin, Göttingen und Dortmund sowie an mehreren europäischen und amerikanischen Standorten.

„Die Beobachtung des Mondes mit unserem Spektrometer MERTIS an Bord von BepiColombo ist eine einmalige Gelegenheit“, betont Dr. Jörn Helbert vom DLR-Institut für Planetenforschung, mitverantwortlich für das dort maßgeblich entwickelte MERTIS-Instrument. Die Wissenschaftler untersuchen die der Erde zugewandte Mondvorderseite spektroskopisch erstmals in den Wellenlängen des thermalen Infrarot. Ohne die störende Erdatmosphäre ergibt die Perspektive aus dem Weltraum einen wertvollen neuen Datensatz für die Mondforschung. Außerdem können die Forscher testen, wie gut das Instrument funktioniert und Erfahrungen für den Betrieb am Merkur sammeln. Ein besonderer Praxistest ist auch die aktuelle Situation im Zusammenhang mit der Corona-Pandemie. Das Team wird aus dem Homeoffice das MERTIS-Instrument betreuen und die Daten prozessieren und auswerten. Das wurde in den vergangenen Tagen schon einige Male getestet und die „Datenauswertung am Küchentisch“ scheint gut zu funktionieren.

Die letzte Gelegenheit, „Bepi“ zu beobachten – aber nicht in Deutschland

Raumfahrt-Enthusiasten fragen sich, ob sie Gelegenheit haben, BepiColombo vor seinem Abschied auf dem Weg ins innere Sonnensystem während des Flybys ein letztes Mal am Himmel beobachten zu können: die Antwort lautet ja, allerdings nur südlich von 30 Grad Nord über dem Atlantik, in Südamerika, in Mexiko und mit Einschränkungen über Texas und Kalifornien. In Mitteleuropa bleibt der Trost, dass es in der Nacht vom 7. auf den 8. April einen außerordentlich großen Vollmond, populär gerne als Supermond“ bezeichnet, zu sehen geben wird.


Links:

  • Institut für Planetologie an der WWU
  • Mehr Informationen zur Mission “BepiColombo” auf der Webseite des DLR
  • Mehr Informationen zur Mission “BepiColombo” auf der Webseite der ESA

Quelle: Pressemitteilung / Pressestelle der Universität Münster (upm)