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Astronomie:Der Mond bleibt ein Rätsel

Bei einer Kollision wie dieser könnte der Mond entstanden sein

(Foto: NASA/JPL-Caltech)
  • Selbst für Experten ist es nicht einfach, alle Besonderheiten des Mondes zu erklären, der Erdtrabant gilt unter Experten als "furchtbar speziell".
  • Eine Theorie besagt, dass der Mond aus der noch jungen Erde herausgeschleudert wurde, wie ein Tropfen. Oder entstand er doch durch einen gigantischen Meteoriteneinschlag?
  • Vielleicht können neue Gesteinsproben vom Mond diese Fragen endlich klären.

Er sei "emotional ein wenig erschöpft", erklärte Spacex-Gründer Elon Musk nach dem erfolgreichen Start einer Falcon-9-Rakete. Sie brachte kürzlich die Raumkapsel Crew Dragon samt der Puppe Ripley auf den Weg zur Internationalen Raumstation ISS. Man sei dem Ziel näher gekommen, wieder "amerikanische Astronauten mit amerikanischen Raketen" ins All zu fliegen, kommentierte Jim Brindestine, Chef der US-Weltraumbehörde Nasa, den Erfolg.

Auch wenn es hierbei zunächst einmal darum geht, die ISS unabhängiger von Russland versorgen zu können, haben Musk und Brindestine letztlich nicht die alternde Raumstation, sondern den Mond im Visier. Und wie schon bei den Apollo-Missionen vor 50 Jahren steht die Wissenschaft nicht im Zentrum dieser Weltraummissionen. Aber sie dürfte erneut profitieren.

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Das wissenschaftliche Hauptziel der Apollo-Missionen war damals, anhand der chemischen Zusammensetzung des Mondgesteins die Entstehung des Erdtrabanten zu erklären. Daher brachten die Astronauten insgesamt 382 Kilogramm Mondproben zurück zur Erde. Entsprechend können auch künftige Mondmissionen dazu beitragen, die zentrale Frage zu klären: Wie genau ist der Mond entstanden?

Der Mond ist sehr speziell

Noch heute sei das "ein spannendes Forschungsgebiet", sagt Matthias Meier, Geologe und Kurator des Naturhistorischen Museums St. Gallen, der sich intensiv mit dieser Thematik befasst. Auch für Willy Benz vom Institut für Weltraumforschung und Planetologie der Universität Bern und Präsident des Rats der Europäischen Südsternwarte (ESO) gibt es einige wissenschaftliche Gründe, weshalb der Mond noch heute interessant ist. "Der Mond ist furchtbar speziell", sagt Benz. "Es ist nicht so einfach, dessen Besonderheiten zu erklären."

Die auffälligste Eigenart des Mondes ist dessen beachtliche Masse: Alle anderen Monde von Planeten im Sonnensystem sind im Vergleich zu ihrem Mutterplaneten viel weniger massiv. Warum ist das so? Die zweite Besonderheit des irdischen Mondes: Er besitzt einen äußerst kleinen Eisenkern. Bei fast allen anderen erdähnlichen Planeten steckt ein Drittel der Masse im Kern aus Eisen. Was ist mit dem Eisenkern des Mondes passiert, falls dieser je einen hatte?

Drittens sind Mond und Erdmantel chemisch sehr ähnlich: Dort finden sich nahezu identische Verhältnisse gewisser Isotope - das sind Varianten einzelner Elemente wie Sauerstoff, Wolfram und Titan. Man sagt: Mond und Erde sind isotopische Zwillinge. Diese und weitere Besonderheiten von Mond und Erde muss eine Theorie der Mondentstehung erklären.

Kein Teil des Erdmantels

Eine der ersten Hypothesen war, dass sich die heiße junge Erde (Protoerde) so schnell um die eigene Achse drehte, dass sich ein Tropfen ablöste, aus dem sich der Mond bildete. Das würde erklären, weshalb beide Körper isotopische Zwillinge sind und der Mond keinen Eisenkern besitzt. Um die Rotationsenergie oder genauer: den Drehimpuls des Erde-Mond-Systems zu erklären, hätte sich die Protoerde allerdings enorm schnell drehen müssen. "Das ist nicht plausibel", sagt Benz. "Die Abspaltungshypothese kann den heutigen Drehimpuls des Erde-Mond-Systems nicht richtig erklären."

Zudem hat man in den letzten Jahren minimale isotopische Unterschiede zwischen Erde und Mond entdeckt. "Dies gibt uns einen Hinweis darauf, dass der Mond nicht einfach ein irgendwie abgespaltenes Stück des Erdmantels ist", sagt Meier.

Der kleine Unterschied

Eine alternative Erklärung ist die Einfangtheorie. Demnach entstanden Erde und Mond unabhängig in verschiedenen Regionen des Sonnensystems. Bei einer zufälligen, engen Begegnung fing die Erde den Mond durch ihre Schwerkraft ein. Auch dieses Modell hat Schwächen. Zum Beispiel ist unklar, warum der Mond ohne Eisenkern entstanden sein sollte. Und wenn sich beide Körper in unterschiedlichen Regionen des Sonnensystems bildeten, sollten sie sich isotopisch unterscheiden. Dem ist offenbar nicht so.

Eine nahezu identische isotopische Komposition der beiden Himmelskörper könnte indes die sogenannte Co-Formation erklären: Erde und Mond entstanden als Geschwister direkt beieinander aus der gleichen um die Sonne kreisenden Materie. Bei dieser Hypothese ist es jedoch ebenfalls schwierig zu verstehen, warum das Eisen fast nur in die Erde gelangte. "Man müsste das Eisen bei der Bildung der Körper irgendwie sortieren", sagt Benz. "Aber kein potenzieller Sortiermechanismus überzeugt."

Rund zehn Jahre nach Apollo 11 und nach der Analyse der ersten Mondproben kam eine neue Theorie in Umlauf: die Einschlagshypothese. Demnach donnerte vor rund 4,5 Milliarden Jahren ein halb bis doppelt so großer Körper wie der Mars, genannt Theia, auf die Protoerde. Bei der Kollision sank der Eisenkern von Theia in die Erde, während ein Teil des Gesteins ins All geschleudert wurde. Daraus formte sich eine heiße Materiescheibe um die Erde, aus der sich der Mond ballte. Benz gehörte zu den ersten Astronomen, die den Einschlag von Theia mit dem Computer simulierten.

Zu viel Theia-Material

Auch hier passen noch nicht alle Puzzlestücke zusammen. In den Simulationen bildet sich der Mond vorwiegend aus Material von Theia, anfangs zu rund 70 Prozent. Wie Benz sagt, brachte man es durch geeignete Wahl der Parameter für den Crash auf rund 30 Prozent herunter. "Aber es war immer noch zu viel Theia-Material im Mond, um die ähnliche isotopische Komposition von Erde und Mond zu erklären." Zweifel an der Einschlagshypothese gibt es auch wegen einiger flüchtiger Elemente wie Wasser, die sich auf dem Mond fanden. Hätten so leichte Stoffe bei einem gewaltigen Crash nicht weggeblasen werden müssen?

"Vielleicht verstehen wir diesen Einschlag noch nicht ganz", sagt Meier. "Wenn man die Rahmenbedingungen des Einschlags variiert, etwa die Geschwindigkeit, den Einschlagswinkel und die Massen der Körper, dann findet man Szenarien, bei denen Erde und Mond aus ähnlichen Anteilen von Protoerde und Theia-Material entstehen." Die Szenarien, in denen das gelingt, sind aber leider für sich genommen sehr unwahrscheinlich.

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Vielleicht wurde die chemische Zusammensetzung von Erde und Mond auch nicht beim Einschlag festgelegt, sondern näherte sich erst später an. Gemäß der 2017 vorgestellten "Synestia-Hypothese" bildete sich nach dem Einschlag von Theia rund um die Erde eine ringförmige Struktur aus heißem Gesteinsgas und flüssigem Gestein. Der Erdmantel ging fließend in diese Ringstruktur über, aus der später der Erdmond kondensierte. Das würde für eine perfekte Durchmischung sorgen. "Aktuell wird diskutiert, ob diese komplexe Synestia-Struktur wirklich physikalisch plausibel ist und ob sie die tatsächlich beobachteten, minimalen Unterschiede zwischen der Chemie von Erde und Mond auch erklären kann", sagt Meier.

Mondproben würden helfen

Laut Benz wurden noch längst nicht alle möglichen Varianten für einen Einschlag von Theia im Detail untersucht. "Die Jury ist immer noch am Diskutieren, ob die Einschlagshypothese stimmt", sagt Benz. "Aber würde man die Fachwelt heute über die verschiedenen Erklärungen abstimmen lassen, bekäme die Einschlagshypothese die Mehrheit."

Weitere Hinweise versprechen sich die Forscher durch zusätzliche Mondproben, auch aus dem Untergrund des Trabanten. "Ich hoffe sehr, dass es mit der Rückkehr zum Mond etwas wird, sei es mit kommerziellen Landegeräten oder vielleicht auch mit Astronauten", sagt Meier. "Denn etwas können wir gut gebrauchen, wenn wir die Geschichte des Mondes und des Sonnensystems entziffern wollen: mehr und bessere Proben vom Mond."

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