Die dunkle Seite des Mondes

Der junge Mond war fast völlig geschmolzen. Ihn bedeckte ein Magmaozean, womöglich bis in über 1000 Kilometer Tiefe. Zwar begann sich dieses Meer aus flüssigem Gestein schnell zu verfestigen und bildete an der Oberfläche – dort, wo es der Weltraumkälte ausgesetzt war – eine erste feste Kruste. Aber unter dieser isolierenden Schicht wurde die Abkühlung und Kristallisation des Magmas gebremst. Die Folge: In weiten Teilen blieb der Mond noch etliche Zeitflüssig. Doch wie lange?

Um die Lebensdauer des Magmaozeans zu berechnen, verwendeten die Forscher ein neues Computermodell. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Magmaozean lange bestand. Es dauerte fast 200 Millionen Jahre, bis er vollständig zu Mantelgestein auskristallisierte“, sagt Maxime Maurice. Das ist viel länger als in früheren Studien berechnet, die teils nur 30 Millionen Jahre schätzten.

Die größte Einschlagsstruktur

Die Hypothese eines Magmaozeans auf dem Mond und auf anderen planetaren Körpern ist seit Jahrzehnten etabliert und durch die chemische Analyse des Mondgesteins abgesichert (siehe Kasten „Die glühenden Meere“ auf Seite 53). Doch eine Erklärung für die Andersartigkeit der Rückseite liefert sie nicht. Trotzdem war die erdabgewandte Seite auch für automatische Sonden lange kein Zielgebiet. Dies änderte sich erst ein halbes Jahrhundert nach den Apollo-Flügen: Am 3. Januar 2019 gelang der unbemannten chinesischen Mission Chang’e 4 die erste Landung auf der abgewandten Mondseite inmitten des Südpol-Aitken-Beckens.

Das gewaltige Einschlagsbecken ist das größte seiner Art auf dem Mond. Es reicht vom Südpol bis zum 135 Kilometer messenden Krater Aitken. Der Name beider Formationen ehrt den amerikanischen Astronomen und Doppelstern-Experten Robert Grant Aitken. Das Aitken-Becken ist leicht elliptisch – der urzeitliche Einschlag, der es formte, geschah wohl unter einem flachen Winkel. In Nord-Süd-Richtung erreicht es mit etwa 2400 Kilometern seinen größten Durchmesser. Damit gehört es zu den größten bekannten Einschlagsbecken im gesamten Sonnensystem.

In den Jahrmilliarden der Mondgeschichte entstanden zahlreiche weitere Krater, die das Riesenbecken überlagerten, sodass es sich heute nicht so leicht wie andere Mondbecken erkennen lässt. Auffällig ist das weniger helle Gestein im Süden der erdabgewandten Seite. Es enthält etwas mehr Eisen, Titan und Thorium als das umliegende Hochland und markiert das Aitken-Becken. Teilweise ist die lunare Rückseite also doch ein wenig dunkler als die Vorderseite.

Geschwächte Kruste

Am Ground Zero des Beckens hat der Einschlag die Mondkruste beträchtlich geschwächt. Der Grund ist die enorme Menge an Material, das bei der Kraterbildung ausgeschleudert wurde. Das belegen Messungen des lokalen Schwerefelds, mit denen man auch die Krustendicke bestimmen kann: Während diese unter dem Becken nur 30 Kilometer misst, sind es in der Umgebung 60 bis 80 Kilometer. Im Aitken-Becken, genauer in dessen südlichem Krater Antoniadi, liegt auch die tiefste Stelle auf dem gesamten Mond: mehr als 9000 Meter unter dem lunaren Nullniveau. Am nord-nordöstlichen Aitken-Beckenrand hingegen ragen die Gipfel hoch in den Mondhimmel: bis auf 8550 Meter über Null.

Man schätzt, dass das Aitken-Becken in der frühesten Mondgeschichte entstand, nämlich vor 4,2 bis 4,3 Milliarden Jahren. Damals prallte ein Urplanet mit einer Geschwindigkeit von rund 15 Kilometern pro Sekunde auf die südliche Rückseite und bohrte sich tief ins Krustengestein. Ein großer Teil seiner Bewegungsenergie wurde dabei schlagartig in Wärme umgewandelt. Bevor er völlig zerstört wurde, maß der Einschlagskörper zwischen 315 und 420 Kilometer. Das schätzen chinesische Wissenschaftler um Nan Zhang von der Universität Peking, welche die langfristigen Folgen des Impakts analysierten. Das Team hat im Computer nachgestellt, wie der Mond auf die enorme Wärmequelle reagierte, die vom Ort des Impakts tief in das Mondinnere einwirkte (siehe Grafik „Umkehr im Mondmantel“ unten auf dieser Seite). Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Geoscience im Januar veröffentlicht.

Den Rechnungen zufolge half der Einschlag, große Teile des Mondes gleichsam umzupflügen. Durch die Hitze des Treffers wurden tiefreichende Konvektionsströmungen ausgelöst. In der Folge wurde Mantelgestein vertikal umverteilt und bis zur Grenze des metallischen Kerns versenkt. Außerdem kam es zu einer Umverteilung von Gestein entlang der Oberfläche. Vor allem sammelten sich sogenannte KREEP-Gesteine, die höhere Konzentrationen an radioaktiven Elementen hatten, auf der Vorderseite an. Dort bilden sie heute noch eine über mehrere Mondmare ausgedehnte Provinz mit einer messbaren Häufung an radioaktivem Thorium. Das englische Akronym KREEP steht für Kalium, Rare Earth Elements (die Seltenen-Erden-Elemente des Periodensystems) und Phosphor.

Die Simulation der chinesischen Forscher gibt nun einen Hinweis, wie das radioaktive Material zur Mondvorderseite gelangt sein könnte: „Besonders kurz nach dem Einschlag trieb die Hitze durch den Impakt diese Migration voran“, sagt Nan Zhang gegenüber bild der wissenschaft.

Verjüngter Erdbegleiter

Doch wie alt ist der Mond? Um dies zu beantworten, erforschte das Team um Maxime Maurice die Chemie des Mondmantels vor dem Aitken-Einschlag. Es berechnete, wie sich die Zusammensetzung der magnesium- und eisenreichen Silikate im Magmaozean veränderte, während dessen Aushärtung voranschritt. Die Resultate belegen eine kontinuierliche Änderung der chemischen Beschaffenheit des immer flacher werdenden Ozeans.

In die Rechnungen floss auch die Analyse von Gestein der Landestelle von Apollo 16 und eines Mondmeteoriten ein, der 1999 in der Kalahari-Wüste in Botswana geborgen wurde. „Durch den Vergleich der gemessenen Zusammensetzung der Mondgesteine mit der vorhergesagten Zusammensetzung des Magmaozeans aus unserem Modell konnten wir die Entwicklung des Ozeans bis zur Entstehung des Mondes zurückverfolgen“, sagt die DLR-Forscherin Sabrina Schwinger. Demnach entstand der Mond vor 4,425 Milliarden Jahren, wobei die Fehlermarge plus/minus 25 Millionen Jahre beträgt.

Damit ist der Mond fast 100 Millionen Jahre jünger als bislang angenommen. Bemerkenswert sei, dass dieses Mondalter mit dem zuvor in anderen Untersuchungen bestimmten Alter für die Bildung des metallischen Erdkerns übereinstimmt, kommentiert Coautor Thorsten Kleine, der jüngst zum Max-Planck-Direktor ans Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen berufen wurde. Erst als sich der Erdkern vollständig gebildet hatte, entstand demnach der Mond. Es sei das erste Mal, dass das Mondalter direkt mit einem Ereignis am Ende der Erdentstehung in Verbindung gebracht wird, sagt Kleine.

Murmeln auf dem Mond

Wahrscheinlich wurde bei den großen Einschlägen auf der Rückseite auch Gestein des Mondmantels freigelegt. Yutu 2, der Rover der Landesonde Chang’e 4, oder seine Nachfolger haben nun die Chance, erstmals vor Ort Gestein des Mondmantels zu untersuchen.

Erste Messungen stimmen die chinesischen Forscher bereits optimistisch. Kürzlich wurden Fotos veröffentlicht, die das sechsrädrige Gefährt entlang seiner mehr als 1000 Meter langen Fahrstrecke aufgenommen hat. Sie zeigen lichtdurchlässige Glaskugeln von 1,5 bis 2,5 Zentimeter Durchmesser. Vielleicht sind solche lunaren Murmeln vulkanischen Ursprungs. Zhiyong Xiao von der Sun Yat-sen Universität, 120 Kilometer nördlich von Hong Kong, und seine Kollegen haben die Bilder ausgewertet. Sie vermuten, dass das Glas entstand, als es in der Hitze jüngst stattgefundener Meteoriteneinschläge aus dem Rohmaterial der obersten Mondkruste aufgeschmolzen und zum Fundort katapultiert wurde. Ähnliche Kugeln hatte man bereits im Gestein der Vorderseite gefunden, allerdings waren sie mit höchstens einem Millimeter Durchmesser erheblich kleiner. Im Gegensatz zum sprichwörtlichen Blick in die Glaskugel würden chemische Analysen der Mondmurmeln spannende Einsichten ermöglichen.