Verdampfendes Planeten-Material

Diese Simulation zeigt das Schmelzen (gelb) und Verdampfen (rot) von Gestein bei der Kollision zweier Planetenbausteine (Grafik: Philip J. Carter)

Eigentlich gelten Asteroiden als Überbleibsel der Planetenbildung in unserem Sonnensystem. Sie müssten daher genauso zusammengesetzt sein wie Erde, Mars und die anderen aus diesen Planetenbausteinen entstandenen Himmelskörper. Doch das ist nicht der Fall. Eine Erklärung dafür könnten nun gleich zwei Forschergruppen gefunden haben: Demnach verdampfte schon bei der Akkretion der Planetenbausteine ein Teil des Gesteins und mit ihm vor allem leichtflüchtigere Elemente. Deshalb sind auch die Planeten in Bezug auf diese Elemente verarmt.

Erde, Mond, Mars und andere feste Himmelskörper im Sonnensystem haben einen gemeinsamen Ursprung: Sie alle gehen auf das Material der Urwolke zurück. Aus dieser wirbelnden Scheibe aus Staub und Gas bildeten sich erst kleinere Gesteinsbrocken, die durch Kollisionen miteinander immer weiter anwuchsen. Durch diese sogenannte Akkretion entstanden nach und nach die Protoplaneten. Ihre Schwerkraft zog dann weitere Brocken an, so dass sie bis auf Planetengröße heranwuchsen. Ein Teil der einstigen Planetenbausteine jedoch entging dieser Akkretion und kreist heute als Asteroiden um die Sonne. Seltsam nur: Obwohl Planeten und Asteroiden auf die gleichen Grundbausteine zurückgehen, unterscheiden sie sich in ihrer Element- und Isotopenzusammensetzung. Die Kruste von Erde, Mars und Mond enthält deutlich weniger leichtflüchtige, gesteinsbildende Elemente als die ältesten und ursprünglichsten Meteoriten. So macht beispielsweise Magnesium rund 15 Prozent der gesamten Masse der Erde aus, in der Urwolke und auch in vielen Asteroiden hat dieses Element aber einen deutlich höheren Anteil. Auch Blei, Zink, Indium und Alkalimetalle kommen in Kruste und Mantel der Erde weniger häufig vor als in alten Gesteinsmeteoriten.

Warum die Erde und andere terrestrische Planeten im Sonnensystem diese Verarmung an leichtflüchtigeren Elemente zeigen, ist bislang unklar. Denn bei der Erde ließe sich zwar ein Teil dieser Verarmung durch die katastrophale Kollision erklären, die vor rund 4,5 Milliarden Jahren den Mond schuf. Bei dieser verdampfte ein Großteil des irdischen Gesteins – und damit könnten auch viele flüchtigere Elemente verloren gegangen sein. Doch das gilt nicht für die anderen Gesteinsplaneten. Was also "raubte" ihnen einen Teil ihres Magnesiums und anderer Metalle? Diese Frage haben nun gleich zwei Forscherteams noch einmal untersucht – und kommen unabhängig voneinander zur gleichen Lösung des Elementrätsels. Remco Hin von der University of Bristol und sein Team haben die Magnesium-Isotope in Gesteinsproben von der Erde, von Marsmeteoriten und – über Daten der Raumsonde Dawn – auch im Planetoiden Vesta analysiert. Ashley Norris und Bernard Wood von der University of Oxford haben untersucht, wie das Erhitzen und Verdampfen die Elementzusammensetzung von Gesteinsproben verändert – und damit die Prozesse im frühen Sonnensystem nachvollzogen.

Aus Planetenbausteinen verdampft

Aus ihren Versuchen und Analysen schließen beide Forschergruppen, dass die typische Elementzusammensetzung der terrestrischen Planeten auf Veränderungen zurückgehen muss, die sich während der Akkretion ereigneten. Das Szenario: Kollidieren Brocken mit großer Wucht miteinander, heizt sich das Gestein so stark auf, dass sich eine Hülle aus verdampftem Silikatgestein um die Objekte bildet. Sind die Brocken dabei kleiner als etwa 100 Meter, kann ihre Schwerkraft diese Gashülle nicht festhalten und die verdampften Elemente entweichen ins All. Als Folge dieser Kollisionen enthalten die Planetenbausteine nun weniger dieser leichtflüchtigen Elemente als die Urwolke, aus der sie einst entstanden. Wenn nun diese Brocken weiterzusammenklumpen und die Protoplaneten und schließlich Planeten bilden, "erben" diese ihre verarmte Zusammensetzung – so das Szenario der Forscher. "Wir schätzen, dass mehr als 40 Prozent der Erdmasse schon während ihrer Entstehung durch wiederholte Verdampfungen bei ihren Bausteinen verloren ging", sagt Hin.

"Erst diese Kette von Ereignissen ließ die einzigartige Zusammensetzung von Erde und anderen terrestrischen Planeten entstehen", sagt Hin. "Denn als Folge des entwichenen Silikatdampfs veränderte sich das Verhältnis der Magnesium-Isotope in diesen Himmelskörpern." Das Gestein von Erde und Mars enthält dadurch heute weniger leichtere Magnesium-Isotope als die weniger stark durch Kollisionen veränderten Asteroiden. Woods und seine Kollegen beobachteten in ihren Verdampfungsversuchen diesen selektiven Verlust auch bei anderen Elementen und Isotopen. "Diese Ergebnisse verändern unsere Sicht darauf, wie Planeten ihre physikalischen und chemischen Merkmale bekommen", sagt Hin. "Wir zeigen nun, dass der Verlust von Gesteinsdampf durch energiereiche Kollisionen bei der Akkretion einen profunden Einfluss auf die Planetenzusammensetzung hat." Die Wissenschaftler vermuten, dass dieser Prozess auch bei anderen terrestrischen Himmelskörpern in unserem Sonnensystem und darüber hinaus eine wichtige Rolle gespielt hat.

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