Der Planetenforscher sagt, seine Gruppe habe Beweise dafür gefunden, dass der Mond in einem lodernden Glanzlicht geboren wurde, als ein marsgroßer Körper mit der frühen Erde kollidierte.
Es ist eine große Behauptung, aber der Planetologe Frédéric Moynier von der Washington University in St. Louis sagt, seine Gruppe habe Beweise dafür gefunden, dass der Mond in einem lodernden Glanz der Herrlichkeit geboren wurde, als ein marsgroßer Körper mit der frühen Erde kollidierte.
Für einen Nichtwissenschaftler mag der Beweis nicht so beeindruckend erscheinen: ein winziger Überschuss einer schwereren Variante des Elements Zink in Mondgesteinen. Die Anreicherung ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass schwerere Zinkatome schneller als leichtere Zinkatome aus der durch eine katastrophale Kollision entstandenen aufwirbelnden Wolke aus verdampftem Gestein kondensierten und der verbleibende Dampf entkam, bevor er kondensieren konnte.
Seit die Apollo-Missionen in den 1970er Jahren erstmals Mondgesteine auf die Erde brachten, haben Wissenschaftler nach dieser Art von Massensortierung gesucht, die als Isotopenfraktionierung bezeichnet wird. Moynier, PhD, Assistenzprofessor für Geo- und Planetenwissenschaften in Arts & Sciences, und Randal Paniello, Doktorand und Kollege James Day von der Scripps Institution of Oceanography, sind die Ersten, die ihn finden.
Die Mondgesteine, so stellten Geochemiker fest, waren ansonsten den Erdgesteinen chemisch ähnlich, hatten jedoch einen bedauerlichen Mangel an flüchtigen Bestandteilen (leicht verdampfbare Elemente). Ein riesiger Aufprall erklärte diese Erschöpfung, während alternative Theorien für den Ursprung des Mondes dies nicht taten.
Ein Schöpfungsereignis, bei dem flüchtige Stoffe abrutschen konnten, hätte jedoch auch zu einer Isotopenfraktionierung führen müssen. Die Wissenschaftler suchten nach einer Fraktionierung, konnten sie jedoch nicht finden. Die Auswirkungstheorie des Ursprungs blieb mehr als 30 Jahre lang in der Schwebe - weder bewiesen noch widerlegt.
"Die Größe der Fraktionierung, die wir in Mondgesteinen gemessen haben, ist zehnmal größer als die in Land- und Marsgesteinen", sagt Moynier. "Das ist also ein wichtiger Unterschied."
Die Daten, die in der Nature-Ausgabe vom 18. Oktober 2012 veröffentlicht wurden, liefern laut Moynier den ersten physikalischen Beweis für ein großflächiges Verdampfungsereignis seit der Entdeckung einer flüchtigen Erschöpfung in Mondgesteinen.
The Giant Impact Theory
Nach der auf einer Konferenz 1975 in seiner modernen Form vorgeschlagenen Giant Impact Theory entstand der Mond der Erde in einer apokalyptischen Kollision zwischen einem Planetenkörper namens Theia (in der griechischen Mythologie die Mutter des Mondes Selene) und der frühen Erde.
Kreuzpolarisiertes Durchlichtbild eines Mondgesteins enthüllt seine verborgene Schönheit. Bildnachweis: J. Day
Diese Kollision war so heftig, dass es für Sterbliche schwer vorstellbar ist, aber der Asteroid, von dem angenommen wird, dass er die Dinosaurier getötet hat, hat vermutlich die Größe Manhattans. Es wird angenommen, dass Theia die Größe des Planeten Mars hatte.
Der Smashup setzte so viel Energie frei, dass er Theia und einen Großteil des Erdmantels schmolz und verdampfte. Der Mond kondensierte dann aus der Wolke der Felsdämpfe, von denen einige auch wieder zur Erde zurückgewachsen sind.
Diese fremdartig anmutende Idee setzte sich durch, weil Computersimulationen zeigten, dass eine riesige Kollision ein Erd-Mond-System mit der richtigen Orbitaldynamik hätte erzeugen können, und weil sie ein Schlüsselmerkmal der Mondgesteine erklärte.
Als Geochemiker Mondgesteine ins Labor brachten, stellten sie schnell fest, dass die Gesteine an den von Geochemikern als „mäßig flüchtig“ bezeichneten Elementen verarmt sind. Sie sind sehr arm an Natrium, Kalium, Zink und Blei, sagt Moynier.
"Aber wenn die Gesteine an flüchtigen Bestandteilen verloren hätten, weil sie während eines riesigen Aufpralls verdampft waren, hätten wir auch eine Isotopenfraktionierung sehen müssen", sagt er. (Isotope sind Varianten eines Elements mit leicht unterschiedlichen Massen.)
„Wenn ein Gestein geschmolzen und dann verdampft wird, gelangen die leichten Isotope schneller in die Dampfphase als die schweren Isotope, sodass ein an den leichten Isotopen angereicherter Dampf und ein an den schwereren Isotopen angereicherter fester Rückstand entsteht. Wenn Sie den Dampf verlieren, wird der Rückstand im Vergleich zum Ausgangsmaterial an den schweren Isotopen angereichert “, sagt Moynier.
Das Problem war, dass Wissenschaftler, die nach einer Isotopenfraktionierung suchten, diese nicht finden konnten.
Ausserordentliche Ansprüche erfordern ausserordentliche Angaben
Auf die Frage, wie er sich fühlte, als er die ersten Ergebnisse sah, sagt Moynier: "Wenn Sie etwas Neues finden, das wichtige Konsequenzen hat, möchten Sie sicher sein, dass Sie nichts falsch gemacht haben.
„Ich habe die Hälfte der Ergebnisse erwartet, die wir bisher für mäßig flüchtige Elemente erhalten haben. Wenn wir also etwas anderes erhalten haben, haben wir alles von Grund auf neu reproduziert, um sicherzustellen, dass keine Fehler aufgetreten sind, da einige der Verfahren im Labor die Isotope möglicherweise fraktionieren könnten.“
Er befürchtete auch, dass eine Fraktionierung durch lokalisierte Prozesse auf dem Mond, wie z. B. Feuersbrunnen, erfolgen könnte.
Um sicherzustellen, dass der Effekt global ist, analysierte das Team 20 Proben von Mondgesteinen, darunter Proben aus den Apollo 11-, 12-, 15- und 17-Missionen, die sich alle an verschiedenen Orten auf dem Mond befanden, und einen Mondmeteoriten.
Um die Proben zu erhalten, die im Johnson Space Center in Houston aufbewahrt werden, musste Moynier ein Komitee, das den Zugang zu ihnen kontrolliert, vom wissenschaftlichen Wert des Projekts überzeugen.
"Was wir wollten, waren die Basalte", sagt Moynier, "weil sie aus dem Inneren des Mondes kamen und repräsentativer für die Zusammensetzung des Mondes wären."
Laut Moynier haben Mondbasalte jedoch unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, einschließlich eines weiten Bereichs von Titankonzentrationen. Isotope können auch beim Erstarren von Mineralien aus einer Schmelze fraktioniert werden. „Der Effekt sollte sehr, sehr gering sein“, sagt er, „aber um sicherzustellen, dass dies nicht das war, was wir gesehen haben, haben wir sowohl titanreiche als auch titanarme Basalte analysiert, die sich an den beiden Extremen des Bereichs von befinden chemische Zusammensetzung auf dem Mond. "
Die Basalte mit niedrigem und hohem Titangehalt hatten die gleichen Zinkisotopenverhältnisse.
Zum Vergleich analysierten sie auch 10 Marsmeteoriten. Einige waren in der Antarktis gefunden worden, andere stammten aus den Sammlungen des Field Museum, der Smithsonian Institution und des Vatikans.
Der Mars ist wie die Erde sehr reich an flüchtigen Elementen, sagt Moynier. „Da sich in den Gesteinen eine angemessene Menge Zink befindet, brauchten wir nur einen winzigen Teil, um die Fraktionierung zu testen. Daher waren diese Proben leichter zu beschaffen.“
Künstler Erholung. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech
Was es bedeutet
Im Vergleich zu terrestrischen Gesteinen oder Marsgesteinen weisen die von Moynier und seinem Team analysierten Mondgesteine viel geringere Zinkkonzentrationen auf, sind jedoch mit den schweren Zinkisotopen angereichert.
Erde und Mars haben Isotopenzusammensetzungen wie die chondritischen Meteoriten, von denen angenommen wird, dass sie die ursprüngliche Zusammensetzung der Gas- und Staubwolke darstellen, aus der sich das Sonnensystem gebildet hat.
Die einfachste Erklärung für diese Unterschiede ist, dass die Bedingungen während oder nach der Mondbildung zu einem größeren Verlust an flüchtigen Bestandteilen und einer größeren Isotopenfraktionierung führten, als dies auf der Erde oder auf dem Mars der Fall war.
Die Isotopenhomogenität der Mondmaterialien legt wiederum nahe, dass die Isotopenfraktionierung eher auf einem großtechnischen Prozess als auf einem Prozess beruht, der nur lokal abläuft.
In Anbetracht dieser Hinweise ist das wahrscheinlichste Ereignis im großen Stil das Schmelzen während der Mondbildung. Die Zinkisotopendaten stützen daher die Theorie, dass ein riesiger Aufprall das Erd-Mond-System hervorgebracht hat.
"Die Arbeit hat auch Auswirkungen auf den Ursprung der Erde", betont Moynier, "weil der Ursprung des Mondes ein großer Teil des Ursprungs der Erde war."
Ohne den stabilisierenden Einfluss des Mondes wäre die Erde wahrscheinlich eine ganz andere Art von Ort. Planetenforscher glauben, die Erde würde sich schneller drehen, die Tage würden kürzer, das Wetter heftiger und das Klima chaotischer und extremer. Tatsächlich könnte es eine so raue Welt gewesen sein, dass es für die Evolution unserer Lieblingsspezies, uns, ungeeignet gewesen wäre.
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