Der Erdmond hat die Menschheit seit Urzeiten fasziniert und bis heute gibt seine Entstehung der Wissenschaft Rätsel auf. Inzwischen gehen Forscher davon aus, dass er durch eine gewaltige Kollision der Protoerde mit einem anderen Planeten entstand. Dieser Kollisionspartner, so ergaben jetzt Forschungen an der ETH Zürich, könnte der Erde sehr ähnlich gewesen sein und die Sonne auf einer fast gleichen Bahn umkreist haben. 

Verdankt der Mond seine Existenz dem Ende einer zweiten Erde? Foto: NASA/ETH Zürich

Das Forscherteam von der Isotopengeologie der ETH Zürich hat für die in der aktuellen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift Science präsentierten Resultate insgesamt 31 Proben von verschiedenen Mondgesteinsarten verwendet, die von den Apollo-Missionen 11, 12, 15, 16 und 17 stammen. In diesen Proben wurde der Gehalt der von drei verschiedenen Sauerstoff-Isotopen ermittelt. Die eingesetzte Methode der Laser-Fluorination ist in den 90er-Jahren entwickelt worden und zeichnet sich durch eine um etwa den Faktor 10 verbesserte Messgenauigkeit im Vergleich zu früheren Methoden aus. Der Gehalt der Sauerstoffisotope in Mondgestein ist bereits früher untersucht worden. Die neue Methode hat jedoch die ETH-Forscher veranlasst, dies noch einmal zu tun. Die Resultate haben dann die Forscher erstaunt. Uwe Wiechert, Oberassistent an der ETH Zürich und Erstautor des Science-Artikels, meint dazu: "Wir wollten untersuchen, wie homogen der Mond ist oder ob noch Teile der Protoerde und des Kollisionsplaneten festzustellen sind. Wir haben schon vorher gewusst, dass die Erde und der Mond eine sehr ähnliche Isotopenzusammensetzung haben. Wir hätten aber nie erwartet, dass sie identisch ist."

Die Zusammensetzung der Sauerstoff-Isotope kann dafür verwendet werden, um festzustellen, woher Gesteine aus dem Sonnensystem stammen, da die Isotope ungleichmäßig im Sonnensystem verteilt sind. Haben zwei Gesteine eine identische Zusammensetzung, dann kommen sie mit großer Wahrscheinlichkeit vom selben Mutterkörper. Die Meteoriten vom Mars haben beispielsweise eine charakteristische Isotopenzusammensetzung, die sich von Erde, Mond und anderen Körpern in unseren Sonnensystem unterscheidet. Haben aber zwei große Körper wie Erde und Mond eine identische Isotopenzusammensetzung, sind sie aus einem identischen Mix an Komponenten und damit in einem sehr ähnlichen Abstand zur Sonne entstanden.

Die Theorie des Giant Impact, das heißt eines Rieseneinschlags, ist seit über einem Jahrzehnt in der Fachwelt bekannt und wird heute weit akzeptiert, da mit ihr sowohl die geringe Dichte des Mondes wie auch das spezielle Drehmoment des Erde-Mond-Systems erklärt werden kann. Die Theorie geht davon aus, dass rund 50 Millionen Jahre nach der Geburt des Sonnensystems ein etwa Mars-großer Planet - Theia genannt, nach der Mutter der Mondgöttin Selene in der griechischen Mythologie – mit der Protoerde kollidierte. Die Protoerde war zu diesem Zeitpunkt bereits in einer späten Phase der Entstehung und hatte eine Masse, die etwa 90% derjenigen der heutigen Erde entspricht. Die Kollision muss wegen der enormen Masse der beteiligten Körper außerordentlich energiereich gewesen sein. Die Erde ist dabei vermutlich geschmolzen und zu größeren Teilen sogar verdampft. Die Trümmer der Kollision bildeten eine Scheibe um die Erde, woraus sich der Mond formte. In der Folge entfernte sich der Mond immer weiter von der Erde weg und bremste zudem die Erdrotation. Diese Prozesse dauern auch weiterhin an.

Die nun in Science vorgestellten Resultate stimmen einerseits sehr gut mit der Theorie vom Giant Impact überein. Anderseits liefert die praktisch identische Zusammensetzung der Sauerstoff-Isotope einen starken Hinweis dafür, dass sich Protoerde und Theia aus demselben Mix an Komponenten gebildet hatten und die Sonne vermutlich in einem sehr ähnlichen Abstand - wie Zwillingsplaneten - umkreisten. Eine andere Erklärung wäre, dass der Mond und die heutige Erde jeweils etwa gleiche Anteile von der Protoerde und von Theia bekommen hätten. Computersimulationen über den Giant Impact widerlegen jedoch diese Hypothese. Sie zeigen, dass sich der Mond vor allem aus dem Silikatmantel von Theia gebildet haben muss. Die Kollision zweier Körper mit ähnlicher Umlaufbahn ist gemäß heutigem Wissen über die Entstehung der Planeten im Sonnensystem kein überraschendes Ereignis. So bilden sich Planeten in drei Stufen. In der letzten Stufe können sie nur noch wachsen, indem sie mit anderen Planeten kollidieren, die eine ähnliche Umlaufbahn haben.

Wenn Mond und Erde aus identischem Material bestehen, stellt sich natürlich die Frage, warum die beiden Himmelskörper heute so unterschiedlich sind. So ist die Erde zum Beispiel größtenteils von Wasser bedeckt, während man auf dem Mond fast kein Wasser findet. Mit der Frage nach dem Ursprung des Wassers auf der Erde beschäftigt sich denn auch das Forscherteam an der ETH. Es gibt verschiedene Theorien zum Ursprung. Eine davon geht z.B. davon aus, dass das Wasser von einem Körper aus dem Asteroidengürtel stammt. Dazu Uwe Wiechert: "Es gibt verschiedene Theorien über den Ursprung des Wassers. Spannend wäre es, das kürzlich auf dem Mond gefundene Wassereis zu untersuchen und dieses mit irdischem Wasser zu vergleichen. Wir gehen zwar heute davon aus, dass das Wasser, das man auf dem Mond gefunden hat, durch den Sonnenwind gebildet worden ist, aber vielleicht gibt es auch dort noch eine Überraschung." Eine solche Probe müsste allerdings zuerst auf dem Mond geholt werden.