Die Spuren des letzten großen Angriffs aus dem All

 Asteroiden wie hier 951 Gaspra sind noch immer häufig im Sonnensystem. Grafik: Nasa
Asteroiden wie hier 951 Gaspra sind noch immer häufig im Sonnensystem. Grafik: Nasa
Zwar wird die Erde auch heute noch in unregelmäßigen Abständen von Kometen und Asteroiden getroffen. Doch das Ausmaß dieser "Angriffe" aus dem All ist nicht annähernd vergleichbar mit dem während des von Forschern so getauften "Letzten Schweren Bombardements", das vor 3850 Millionen Jahren begann und vor 3800 Millionen Jahren endete. Als Auslöser dieses heftigen Beschusses der Erde mit kleinen Himmelskörpern gelten Wanderbewegungen der großen Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Doch der konkrete Hergang ist umstritten. Aus einer Analyse des Edelgasanteils in der Erdatmosphäre schließen Bernard Marty vom Forschungszentrum für Petrographie und Geochemie in Nancy und sein Kollege Anders Meibom, dass weniger als ein Prozent dieser Himmelskörper Kometen waren. Eine Gruppe um Rodney Gomes von der Universität Rio de Janeiro war dagegen aufgrund von Modellrechnungen zu dem Schluss gelangt, dass die Geschosse je zur Hälfte Kometen und Asteroiden waren. Asteroiden sind aus Gestein bestehende Kleinplaneten, während Kometen prozentual weniger Gestein, dafür aber große Anteile an Eis enthalten.
Die Theorie vom Letzten Schweren Bombardement des inneren Sonnensystems entstand in den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts nach Untersuchungen von Mondgestein. Dabei fiel auf, dass viele der Gesteinsbrocken, die Apollo-Astronauten in Mondkratern gesammelt hatten, in etwa das gleiche Alter haben. Der Mond muss in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum von etwa 50 Millionen Jahren von ungewöhnlich vielen kleinen Himmelskörpern getroffen worden sein. Da wohl kaum davon auszugehen ist, dass der Mond zielgerichtet beschossen wurde, gehen Wissenschaftler davon aus, dass das gesamte innere Sonnensystem diesem Bombardement ausgesetzt war. Auf der Erde gibt es allerdings keine offensichtlichen Spuren dieses Beschusses. Allerdings ist das auch nicht zu erwarten, da das Erdgestein im Gegensatz zum Mondgestein der Verwitterung ausgesetzt ist und da ein großer Teil der Erdkruste aufgrund der Plattentektonik permanent recycelt wird.

Marty und Meibom haben deshalb nach einer Möglichkeit gesucht, den Beschuss der Erde auf andere Weise zu belegen. Ihr Argument ist die Konzentration der Edelgase Neon, Argon, Krypton und Xenon – zum einen in der Atmosphäre und zum anderen im Erdmantel. Ein Vergleich der Anteile dieser vier Gase im Erdmantel mit den Erdmantelanteilen von Wasser und Stickstoff zeigt, dass das Verhältnis dieser sechs Stoffe zueinander dem in einer bestimmten Meteoritensorte, nämlich dem in einem Chondriten entspricht. Man nimmt an, dass die chemische Zusammensetzung der Chondriten wiederum repräsentativ für die Urmaterie unseres Sonnensystems ist, aus der die Chondriten selbst, aber auch die Erde entstanden ist.

In der Atmosphäre sind dagegen die Edelgasanteile gegenüber den Stickstoff- und Wasseranteilen erhöht. Diese Überschüsse müssen laut Marty und Meibom aus einer anderen Quelle stammen als die restliche Materie der Erde, die das Produkt der Kollision vieler Asteroiden ist, die selbst wiederum aus chondritischer Urmaterie entstanden sind. Als Edelgaslieferanten kommen gemäß den beiden Forschern nur Kometen in Frage, die weiter als 15 Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt entstanden sind. (Eine AE entspricht etwa 150 Millionen Kilometern, der Entfernung Erde-Sonne.) Denn Laborexperimente haben gezeigt, dass die flüchtigen Edelgase bei Temperaturen zwischen minus 220 und minus 245 Grad Celsius in Eis gebunden werden können. Diese Bedingungen herrschen erst in relativ großer Entfernung von der Sonne. Als weiteres Argument für ihre Theorie führen Marty und Meibom Helium- und Neonanteile an, die man vor kurzem in Kometenstaub gefunden hat, der von der Raumsonde Stardust eingesammelt wurde.

Nach Berechnungen der beiden Wissenschaftler reicht ein Kometenanteil von weniger als einem Prozent während des Letzten Schweren Bombardements aus, um den Edelgasüberschuss in der Erdatmosphäre zu erklären. Die restlichen 99 Prozent müssen demnach Asteroiden gewesen sein. Zum Vergleich der Größenordnungen: Während der 50 Millionen Jahre des Letzten Schweren Bombardements wurde die Erde insgesamt um etwa 200 Billiarden Tonnen schwerer. Während der ganzen 3800 Millionen Jahre, die seitdem vergangen sind, legte die Erde dagegen nur um etwa 200 Billionen Tonnen zu. Der Himmelskörper, der am 30. Juni 1908 über der Tunguska-Region in Sibirien explodierte, steuerte dazu schätzungsweise eine bis zehn Millionen Tonnen bei.

Das Ergebnis von Marty und Meibom widerspricht einer Modellrechnung von Gomes und Kollegen, die in Computersimulationen die Bewegungen der Planeten während der Frühphase des Sonnensystems nachvollzogen haben. Ihrer Simulation zufolge waren jeweils die Hälfte der Geschosse Kometen beziehungsweise Asteroiden. Doch in einer wichtigen Aussage stimmen die beiden Forschergruppen überein: Die Kometen stammten gemäß der Modellrechnung ebenfalls aus einer Region, die mehr als 15 AE von der Sonne entfernt war.

Die damaligen "kosmischen Umbauarbeiten", die schließlich zu dem Letzten Schweren Bombardement führten, begannen, nachdem Jupiter und Saturn in eine so genannte 1:2-Resonanz geraten waren. Das bedeutet, dass Jupiter die Sonne während der gleichen Zeit, in der Saturn sie einmal umrundete, exakt zweimal umkreiste. Zustande gekommen war diese Situation, weil beide Planeten damit "beschäftigt" waren, ihre Umgebung von den vielen Kleinplaneten zu säubern, die aus dem Urnebel des Sonnensystems entstanden waren. Der schwerere Jupiter katapultierte dabei mit seiner Schwerkraft eine größere Anzahl der Kleinplaneten nach außen, während Saturn sie vorwiegend nach innen warf. Als Konsequenz verlangte der physikalische Drehimpulserhaltungssatz, dass Jupiter seine Bahn nach innen verlagerte, während Saturn nach außen wanderte. Dabei änderten sich aufgrund der Keplerschen Gesetze gleichzeitig die Umlaufzeiten der beiden Planeten.

Die 1:2-Resonanz sorgte nun dafür, dass Jupiter und Saturn mit vereinten Gravitationskräften immer wieder an den nächsten beiden Planeten Uranus und Neptun zerrten. Dies hatte ein "Aufpumpen" der Bahnen dieser beiden Planeten zur Folge: Zum einen verlagerten beide ihre Bahnen nach außen, zum anderen wurden beide Bahnen elliptischer. Ein überraschendes Ergebnis aus Gomes Berechnungen: Derjenige dieser beiden Planeten, dessen Bahn damals näher an Jupiter und Saturn lag, wurde von dieser Resonanz sehr viel stärker beeinflusst. Sein Bahnradius wurde mehr als verdoppelt. Demnach war also Neptun, der heute 30 AE von der Sonne entfernt ist, der Sonne damals näher als Uranus, der die Sonne heute auf einer Bahn mit einem Radius von 19 AE umkreist.

Folglich war Neptun es, der in die mit Kometen gefüllten äußeren Bereiche des Sonnensystems eindrang und diese mit seiner Schwerkraft in alle Richtungen streute – also auch nach innen zu Mond und Erde. Dagegen sorgte die 1:2-Resonanz zwischen Jupiter und Saturn direkt für die Störung vieler Bahnen im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter, wodurch zahlreiche Asteroiden ins innere Sonnensystem gelenkt wurden.
B. Marty and A. Meibom: Noble gas signature of the Late Heavy Bombardment in the Earth's atmosphere, eEarth 2, 43-49, 2007

R. Gomes et. al.: Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets, Nature 435, 466-469 (26 May 2005)

Axel Tillemans


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