(Links) ein detailliertes Bild des Mondes (Rechts) Schematische Darstellung mit einer Schwerkraftgradientenkarte der Mondnähe und einem Querschnitt, der zwei ilmenithaltige Kumulate zeigt, die aus der Umwälzung des Mondmantels stammen (Bildnachweis: NASA/Adrien Broquet/University of Arizona & Audrey Lasbordes)
Vor über 4,2 Milliarden Jahren drehte sich der Mond von innen nach außen und schuf so die Mondoberfläche, die wir heute kennen.
Die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass der Mond vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstand, als ein anderer massiver Körper im Sonnensystem mit der Erde zusammenstieß und geschmolzenes Material in den Weltraum schleuderte, das sich zu unserem natürlichen Satelliten zusammenfügte.
Wie die Geburt des Mondes nach diesem gewaltsamen Start verlief, wurde jedoch von einem Team von Wissenschaftlern des Lunar and Planetary Laboratory (LPL) der Universität Arizona als „eine Art Abenteuerroman nach Wahl“ beschrieben.
Sie sagen, dass es viele mögliche Wege gibt, die der natürliche Satellit der Erde genommen haben könnte, um sich vollständig zu bilden, was letztendlich zu dem Mond-Erde-System führte, das wir heute sehen. Das Team hat natürlich seine eigenen Vorstellungen von den wichtigsten Ereignissen, die zur Entstehung des Mondes geführt haben könnten. Die Forscher sagen, dass Gesteinsproben, die während der Apollo-Mission gesammelt wurden, darauf hindeuten könnten, dass es eine Zeit gab, in der der Mond „umgedreht“ war.
Dieses Ergebnis könnte, falls es zutrifft, auch ein Rätsel über die Zusammensetzung des Mondes lösen.
„Unser Mond hat sich buchstäblich von innen nach außen gedreht“, sagte Jeff Andrews-Hanna, Mitautor der Studie und außerordentlicher Professor am LPL, in einer Erklärung. „Aber es gibt nur wenige physische Beweise, die die genaue Abfolge der Ereignisse während dieser kritischen Phase der Mondgeschichte erhellen, und es gibt viele Unstimmigkeiten in den Details dessen, was passiert ist – buchstäblich.“
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Titan auf der nahen Seite des Mondes?
Basaltische Lavagesteine, die vom Mond mitgebracht wurden, wiesen überraschend hohe Konzentrationen von Titan auf. Darüber hinaus haben Satellitenbeobachtungen ergeben, dass sich titanreiches Vulkangestein vor allem auf der mondnahen Seite des Mondes befindet. Dies gab den Wissenschaftlern Rätsel auf, wie diese besonderen Gesteine dorthin gelangten und nicht weiter verstreut sind.
Das Team der University of Arizona geht davon aus, dass sich der Mond sehr schnell gebildet hat, so dass er zunächst vollständig von einem heißen Magmaozean bedeckt war. Als dieser Ozean abkühlte und sich verhärtete, bildete er die äußeren Schichten des Mondes, einschließlich seines Mantels und seiner Kruste. In den unteren Schichten wäre der junge Mond jedoch noch in Aufruhr gewesen.
Modelle der Mondentstehung legen nahe, dass die letzten Reste dieses riesigen Mondozeans zu dichten Materialien kristallisierten, darunter Ilmenit, ein eisen- und titanreiches Mineral.
„Da diese schweren Mineralien dichter sind als der darunter liegende Mantel, erzeugen sie eine Gravitationsinstabilität, und man würde erwarten, dass diese Schicht tiefer in das Innere des Mondes sinkt“, sagte der Forschungsleiter und ehemalige Doktorand des LPL, Weigang Liang.
(Links) eine „traditionelle“ Mondansicht (Mitte) die Mare-Region ist von einem polygonalen Muster linearer Schwerkraftanomalien umgeben (rechts) blaue Flecken zeigen Reste von dichtem Material an, das in das Innere des Mondes gesunken ist. (Bildnachweis: Adrien Broquet/Universität von Arizona)
Fragen bleiben: Würde dieses Material auf einmal als ein einziger „Klecks“ absinken, nachdem der Mond erstarrt war, oder nach und nach als kleinere Kleckse? Und wenn es im Inneren des Mondes in globalem Ausmaß gesunken ist, wie ist dann ein Teil davon aufgestiegen, um Titan auf die mondnahe Seite zu bringen?
„Ohne Beweise kann man sich sein Lieblingsmodell aussuchen“, sagte der Co-Autor und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, Adrien Broquet, in der Erklärung. „Jedes Modell hat tiefgreifende Auswirkungen auf die geologische Entwicklung unseres Mondes.“
Der Co-Autor und Wissenschaftler Nan Zhang von der Universität Peking hatte zuvor Modelle entwickelt, wonach ein gigantischer Einschlag auf dem Mond dazu geführt haben könnte, dass sich eine dichte Schicht aus titanreichem Material unter der Kruste auf die mondnahe Seite verschoben hat. Dort wäre dieses Material abgesunken, hätte sich zu plattenartigen Platten geformt und wäre in das Innere des Mondes gestürzt, wobei unter der Kruste ein Überbleibsel in Form von sich überschneidenden Körpern aus dichten titanhaltigen Ablagerungen zurückblieb.
„Als wir diese Modellvorhersagen sahen, war es, als würde eine Glühbirne aufleuchten“, sagte Andrews-Hanna. „Wir sehen genau dasselbe Muster, wenn wir uns subtile Variationen im Schwerefeld des Mondes ansehen, die ein Netzwerk aus dichtem Material offenbaren, das unter der Kruste lauert.“
Das GRAIL der Mondentstehungsmodelle
Um seine geschmolzenen Theorien über titanreiches Ilmenitmaterial und Beobachtungen des Mondes zu untermauern, wandte sich das Team den Daten über Anomalien der Mondgravitation zu, die von der NASA-Mission GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) mit zwei Raumfahrzeugen entdeckt wurden.
„Die Analyse dieser Schwankungen im Schwerefeld des Mondes ermöglichte es uns, unter die Mondoberfläche zu blicken und zu sehen, was darunter liegt“, sagte Broque.
Damit wurde bestätigt, dass die GRAIL-Daten mit den Simulationen der Ilmenitschicht übereinstimmen.
Diese Bestätigung zeigte auch, dass die Schwerefeldbeobachtungen genutzt werden können, um die Verteilung von Ilmenitresten zu verfolgen, die zurückgeblieben sind, nachdem ein Großteil der dichten Schicht in das tiefe Innere des Mondes gesunken ist.
„Unsere Analysen zeigen, dass die Modelle und Daten eine bemerkenswert konsistente Geschichte erzählen“, sagte Liang. „Ilmenit-Materialien wanderten zur Nahseite und sanken in blattartigen Kaskaden ins Innere des Mondes, wobei sie eine Spur hinterließen, die Anomalien im Schwerefeld des Mondes verursacht, wie sie von GRAIL beobachtet wurden.“
Artist’s concept of NASA’s Grail mission. Die beiden Grail-Raumsonden umkreisen den Mond in Tandemumlaufbahnen, um das Schwerefeld des Mondes in noch nie dagewesenem Detail zu messen. (Bildnachweis: NASA/JPL)
Das Team war auch in der Lage, den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem sich der Mond von innen nach außen drehte. Die Unterbrechung der Schwerkraftanomalien durch große und uralte Einschlagbecken auf dem Mond deutet darauf hin, dass die ilmenitreiche Schicht vor diesen Einschlägen abgesunken ist. Diese „Überschneidung“ bedeutet, dass das Absinken früher als vor 4,22 Milliarden Jahren stattgefunden haben muss, was darauf hindeutet, dass das Absinken Vulkanismus ausgelöst haben könnte, der später auf der Mondoberfläche zu beobachten war.
Diese Forschungen ergänzen auch ein interessantes Bild des Mondes, das wir heute sehen. Die Umwälzung des Mondmantels vor Milliarden von Jahren hätte zur Entstehung einer dunklen Region geführt, die als Oceanus Procellarum bekannt ist, ebenso wie auf der erdnahen Seite des Mondes.
Dieser Bereich des Mondes liegt tiefer und hat eine dünnere Kruste, die meist von Lavaströmen bedeckt ist, im Gegensatz zur dickeren Kruste der erdfernen Regionen des Mondes. Außerdem weist er eine höhere Konzentration seltener Elemente wie Titan und Thorium auf. „Der Mond ist in jeder Hinsicht grundsätzlich schief“, sagte Andrews-Hanna. „Zum ersten Mal haben wir physische Beweise, die uns zeigen, was im Inneren des Mondes während dieser kritischen Phase seiner Entwicklung geschah, und das ist wirklich aufregend.
„Es stellt sich heraus, dass die früheste Geschichte des Mondes unter der Oberfläche geschrieben wurde, und es brauchte nur die richtige Kombination von Modellen und Daten, um diese Geschichte zu enthüllen.“
Broquet fügte hinzu: „Die Spuren der frühen Mondentwicklung sind heute unter der Kruste zu finden, was faszinierend ist.
„Künftige Missionen, zum Beispiel mit einem seismischen Netzwerk, würden eine bessere Untersuchung der Geometrie dieser Strukturen ermöglichen.“
Die Ergebnisse könnten auch dazu beitragen, künftige Untersuchungen unserer treuen Mondbegleiter zu informieren, wenn die NASA-Mission Artemis III im Jahr 2025 zum ersten Mal seit dem Ende der Apollo-Missionen vor 50 Jahren wieder zum Mond zurückkehrt.
„Wenn die Artemis-Astronauten schließlich auf dem Mond landen und eine neue Ära der menschlichen Erkundung beginnen“, so Liang abschließend. „Wir werden ein ganz anderes Verständnis von unserem Nachbarn haben, als wir es hatten, als die Apollo-Astronauten zum ersten Mal den Mond betraten.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht.
