Die Entstehung der Erde und des Mondes

Nach etablierter Lehre entstand die Erde vor 4,5 bis 4,6 Milliarden Jahren. Damals könnten sich durch Verklumpen von Staubteilchen und kleinen Brocken zunächst einige Kilometer durchmessende Gesteinskörper gebildet haben, aus denen in wenigen Zehntausenden Jahren durch Kollisionen glühend heiße Planetenvorläufer entstanden. Im frühen Sonnensystem tummelten sich vermutlich Dutzende mond- bis marsgroße Objekte, die durch hochenergetische Zusammenstöße zu größeren Planeten wurden. Weitere Kollisionen reduzierten die Anzahl auf die heutigen Planeten und hinterließen Bruchstücke, die sich unter anderem im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter angesammelt haben.
Ein Indiz für die Existenz eines heute nicht mehr vorkommenden Planeten im jungen Sonnensystem, der durch eine Kollision zerstört wurde, sind die über 600 Fragmente des drei bis vier Meter großen Objektes 2008 TC3, das 2008 über der Nubischen Wüste im Sudan in 37 Kilometer Höhe explodierte. Die Reste werden als Almahata-Sitta-Meteoriten bezeichnet.
Ein Team um Farhang Nabiei von der Polytechnischen Hochschule Lausanne veröffentlichte 2018 die Untersuchung eines Meteoriten mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie und hochauflösender Elektronenenergieverlustspektroskopie. Demnach enthält das Relikt bis zu 100 Mikrometer große Diamantkristalle, die unter extrem hohem Druck im Inneren eines Grundkörpers entstanden sind. Sie haben nahezu die gleichen kristallografischen Eigenschaften und wurden später durch Graphitbänder getrennt. Die außergewöhnlich großen Diamantkristalle entstanden weder aus Graphit durch einen kurzzeitigen, energiereichen Stoß bei einem Einschlag auf der Erde noch durch chemische Dampfabscheidung eines kohlenstoffreichen Gases im ursprünglichen Sonnennebel. In diesen Fällen wären die Diamantkristalle signifikant kleiner. Bei der Diamantbildung lag ein längerer Extremhochdruck vor.
Einen weiteren Hinweis lieferten Einschlüsse aus Chromit, Phosphat, Eisen- und Nickelsulfid in den Diamantkristallen. Die Zusammensetzung und mineralogischen Eigenschaften der Einschlüsse sind typisch für Mineralien und Schmelzen, die bei einem Druck von mindestens 20 Gigapascal gebildet werden. Zudem legt die spätere Zerteilung der Diamanten durch Graphitbänder einen außergewöhnlich hohen Druck nahe. Dies und der Nachweis von Olivin und Pyroxen im grobkörnigen Almahata-Sitta-Meteoriten verweisen auf einen Stammkörper, der bereits in einen metallischen Kern, einen Mantel und eine Kruste aus Gestein differenziert war.
Offenbar handelte es sich um einen Vorläuferplaneten, der in den ersten 10 Millionen Jahren des Sonnensystems zerlegt wurde. Eine Komponententrennung mit ins Innere abgesunkenen, schweren Metallen wird nur bei planetaren Körpern angetroffen, die eine Masse wie etwa der Zwergplanet Pluto haben. Der zerstörte Planet könnte ungefähr die Größe zwischen Merkur und Mars gehabt haben. Zeugen seiner Existenz sind die durch Graphitbänder getrennten großen Diamantkristalle und Einschlüsse wie Olivin und Pyroxen. Sie könnten aus dem Mantel des frühen Planeten stammen.
Der Mond entstand durch den Crash eines etwa marsgroßen Objektes mit der Erde. Ein Indiz sind Isotopenverhältnisse von Sauerstoff, Silizium, Kalium, Titan, Chrom, Wolfram und anderen Elementen in Erdgestein und lunarem Material von Apollo-Missionen. Über den exakten Zeitpunkt der Kollision wird noch debattiert. Gemäß älteren Studien könnte sie vor etwa 4,47 Milliarden Jahren stattgefunden haben. Ein Team um den Geologen und Mineralogen Maxwell Thiemens von der Universität Köln fand 2019 an Hand von Apollo-Proben ein höheres Mondalter. Demnach könnte der Crash bereits circa 50 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems stattgefunden haben. Laut einer 2020 veröffentlichten Berechnung von Planetengeophysikern um Maxime Maurice vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entstand der Mond vor etwa 4,425 Milliarden Jahren, 142 Millionen Jahre nach dem Sonnensystem.
Für die größtenteils gleichen Isotopen-Werte von irdischem Gestein und Mondproben wurden einige Modelle entworfen. Klassischen Szenarien zufolge verdampfte der Impaktor zum größten Teil oder vollständig. Aus dem Verschmelzungsprodukt flog glühend heißes Material davon. Der Mond entstand aus dem äußeren Bereich der Wolke, als sie erstarrte. Innen kristallisierte die Wolke, die Partikel regneten im Laufe der Zeit herab und bildeten den Erdmantel. Ein Relikt des Impaktes könnte die Neigung der Erde von circa 23,5 Grad sein. Seither gibt es auf ihr vier Jahreszeiten.
2012 stellten Forscher um Junjun Zhang von der University of Chicago die Ergebnisse eines Vergleichs vor, bei dem die Isotopenverteilung von Titan-47 und Titan-50 in 24 Mondproben, 37 Meteoriten und fünf irdischen Gesteinen untersucht wurde. Dabei stimmten die Werte des Materials von Erde und Mond weitgehend überein. Anders war es bei den Meteoriten. Hier gab es Differenzen, die bis zu 150 Mal größer als die der übrigen Proben waren. Daher könnten die Gesteine vom Erdmantel und Mond von der Trümmerwolke des Crashs stammen.
Zwei Jahre danach wurde der Befund durch die Verteilung von Sauerstoff-16 und Sauerstoff-17 in terrestrischem und lunarem Gestein bestätigt. Laut Team um Daniel Herwartz von der Universität Köln beträgt der Unterschied 12 Atome zu einer Million. Daher könnte der Mond zur Hälfte aus der Erde und dem Impaktor zusammengesetzt sein.
Laut einer 2016 publizierten Analyse von Kun Wang und Stein Jacobsen von der Washington University in St. Louis und der Harvard University in Cambridge (USA) könnte der Eindringling beim Aufprall komplett verdampft sein. Beim Vergleich der Menge von Kalium-Isotopen in sieben Mondproben und vier irdischen Gesteinen enthielt das Mondgestein vier Tausendstel mehr Kalium-41 als das Erdmaterial. Daher könnte der Impaktor schräg mit der Erde kollidiert sein und einen Großteil ihrer Gesteine herausgerissen haben. Die Trümmerwolke bestand aus einem ausgewogenen Gemisch irdischen und extraterrestrischen Materials. Das schwerere Kalium-41 im äußeren Bereich der Wolke kondensierte rascher als innen das leichtere Kalium-39. Daher weist der Mond einen höheren Gehalt Kalium-41 als die Erde auf. Der Rest der Trümmerwolke regnete herab und wurde zum Erdmantel.
Geologen um Natsuki Hosono von der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology vermuten, dass der Mond zu über 70 Prozent aus der noch flüssigen Lava-Oberfläche der Erde entstanden ist. Dies legen gemäß ihrer 2019 publizierten Studie Isotopenverhältnisse nahe. Zum Zeitpunkt der Kollision existierte die harte Kruste noch nicht, so dass die Erde mehr Material verlor, als wenn der Impaktor auf einem erkalteten Planeten eingeschlagen wäre.
Davon abweichende Konzepte zur Entstehung des Mondes sind das Vielfach-Impakt-Szenario und Synestia-Modell. Dem 2017 publizierten Vielfach-Impakt-Szenario von Forschern um die Erd- und Planetenwissenschaftlerin Raluca Rufu vom Weizmann Institute in Rehovot (Israel) zufolge ist der Mond das spätere Produkt von mindestens 20 Impakten auf der Erde. Nach jedem Einschlag eines Asteroiden bildete sich eine Trümmerwolke. Der Mond entstand aus Minimonden, zu denen die Wolkenringe sich zusammenballten.
Von der vollständigen Zerstörung der ursprünglichen Erde geht das von einem Team um den Erd- und Planetenwissenschaftler Simon Lock von der Harvard University (USA) 2018 vorgestellte Synestia-Modell aus. Den Forschern zufolge lassen sich die nahezu vollständig übereinstimmenden Isotopen-Werte von Mond- und Erdgestein, das relativ große Gewicht, der erhaltene Drehimpuls und das alleinige Dasein des Mondes im Unterschied zu den Mehrtrabanten von Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun auch damit erklären, dass der Impaktor und die anfängliche Erde durch die gigantische Wucht des Einschlags komplett verdampften. Es bildete sich eine rotierende Wolke, die zu 90 Prozent aus glühenden Gesteinströpfchen und 10 Prozent aus Gesteinsgas bestand. Diese Synestia könnte zehn Mal größer als die ursprüngliche Erde und zwischen 2.200 und 3.300 Grad Celsius heiß gewesen sein. Außen kühlte sie schneller als innen ab. Der Gesteinsdampf kondensierte zu Tröpfchen, die als feuriger Regen ins Innere der Wolke fielen und dort mit weiterem Gesteinsgas Klümpchen bildeten. Im Verlauf der Abkühlung sonderte sich etwa ein Prozent des Materials auf einer Außenbahn der sich drehenden Wolke ab, woraus der auf der Bahn gebliebene Mond entstand. Die Reste der Synestia zogen sich weiter zusammen und kondensierten zur rotierenden Erdkugel. Die Besonderheiten des Impakt-Szenarios sind die völlige Zerstörung der ursprünglichen Erde und die Entstehung des Mondes aus der gleichen Ausgangswolke. Die Erde und ihr Mond sind Verschmelzungsprodukte zweier kollidierender Himmelskörper.
Ein durch zwei kollidierende Objekte entstandener Planet könnte auch Kepler-107 c im 1.700 Lichtjahre entfernten Sternbild Schwan sein. Die zwei innersten Planeten b und c des Sterns Kepler-107 haben die etwa 1,5-fache Größe der Erde. Doch der Planet c besitzt die circa 10-fache Erdmasse. Er ist ein Gesteinsplanet wie die Erde und könnte bis zu 70 Prozent aus Eisen bestehen. Forscher um Aldo Bonomo vom Astrophysikalischen Observatorium von Turin legte daher in einer 2019 veröffentlichten Studie dar, dass der Exoplanet-107 c das Produkt einer planetaren Frontalkollision sein könnte, bei der vor allem die Silikatmäntel mit geringer Dichte verdampften. Danach entstand ein schwerer Planet mit einem relativ großen Eisenkern und einer dünnen Außenschicht aus Silikaten.