Die heiße Jugend des Mondes

Trotz der vermeintlich unbestechlichen radioaktiven Methoden kamen die Experten beim Versuch, das Mondalter zu klären, zu unterschiedlichen Resultaten. Einige favorisierten 4,35 Milliarden Jahre, andere datierten die lunare Geburtsstunde auf einen Zeitpunkt vor 4,51 Milliarden Jahren – ein Unterschied von über 150 Millionen Jahren. Eine der auffälligsten Ungereimtheiten: Fast alle Gesteinsproben vom Mond deuten auf das jüngere Alter. Aber einzelne, seltene Zirkonkristalle sind deutlich älter. Wie ist das möglich?

Weitere Probleme trieben die Forscher um. Gegen ein hohes Mondalter sprachen nämlich die vergleichsweise wenigen Krater. In so langer Zeit hätte es eigentlich mehr Einschläge von Planetoiden und Kometen geben müssen. Ein weiteres Rätsel ist die Zusammensetzung des Mondmantels. Das ist die Gesteinsschicht, die sich unterhalb der Mondkruste anschließt und deren Zutaten von derjenigen der Erde abweichen.

Ein internationales Forscherteam von der University of California, vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) und vom Collège de France hat nun ein neues Szenario vorstellt, um die bisherigen Widersprüche zu klären. Demnach schmolzen Teile der Mondkruste nach seiner Entstehung erneut auf. Einige wenige Zirkone konnten diesen extremen Bedingungen jedoch unverändert trotzen.

Turbo-Vulkanismus durch Gezeiten

„Uns interessiert besonders die Phase, als der Abstand zwischen Erde und Mond etwa ein Drittel der heutigen Entfernung betrug“, erläutert Francis Nimmo. Der Astronom von der University of California Santa Cruz und sein Team bauen auf einer Reihe von Studien auf, die die Entwicklung von Erde und Mond untersucht haben. Klar ist, dass unser Trabant seinen ursprünglich geringen Abstand vergrößerte – bis zur gegenwärtig relativ weiten Entfernung von im Durchschnitt 384.400 Kilometern. Dabei spielten kurz nach der Mondbildung, also bei noch geringer Erddistanz, die gegenseitigen Gezeiten die entscheidende Rolle.

Anfangs war die Drehachse der Erde wohl stark gegen die Ebene ihres Umlaufs um die Sonne geneigt. Dies war wahrscheinlich eine Folge des Einschlags, der die Mondentstehung ausgelöst hatte. Die Schiefstellung soll mehr als 61 Grad betragen haben; der heutige Wert liegt bei rund 23 Grad. In den folgenden Jahrmillionen wurde die weitere Entwicklung im Erde-Mond-System durch eine komplexe Wechselwirkung dynamischer Faktoren bestimmt. Simulationsrechnungen zeigen, dass dabei spezielle Resonanzen aus Umlauf- und Rotationsperioden wichtig waren. Im Ergebnis drehte sich die Erde immer langsamer um ihre eigene Achse, und diese richtete sich auf.

Die Mondumlaufbahn um die Erde veränderte ebenfalls ihre Lage und Gestalt. Unter anderem wurde sie elliptischer, sodass bei jeder Umrundung die Bahngeschwindigkeit sowie der Erdabstand merklich variierten. Dabei wirkten beträchtliche Gezeitenkräfte. Sie durchwalkten gleichsam das Mondinnere, sodass die dabei freiwerdenden Reibungskräfte den Erdbegleiter zum zweiten Mal in seiner Geschichte stark aufheizten.

Eine ähnliche Situation kennen die Astronomen aus dem Jupiter-System. Dort bewegt sich der innere Mond Io auf einer leicht elliptischen Bahn um den Riesenplaneten. Io ist nur geringfügig größer als unser Mond. Die gewaltigen Gezeiten Jupiters machen Io zum vulkanisch aktivsten Körper im gesamten Sonnensystem. Der frühe Erdmond dürfte ihm kaum nachgestanden haben. Den Berechnungen zufolge erreichte damals der Wärmefluss aus dem Innern des Erdbegleiters 3 bis 30 Watt pro Quadratmeter (Vergleichswert Io: 2,5). Nimmos Team zufolge reichte dies, um den gesamten Mantel des Urmondes aufzuschmelzen und umzuwälzen. In dieser Phase bedeckte zwar zu keinem Zeitpunkt ein globaler Magmaozean dessen Oberfläche. Die innere Hitze entlud sich aber im Lauf mehrerer Millionen Jahre nach und nach. Dabei wurden immer wieder Teile des Krustengesteins flüssig – möglicherweise sogar mehrfach. Mancherorts trat heiße Lava zu Tage, an anderen Stellen blieb sie im Untergrund und erhitzte das darüber liegende Gestein.

Verstellte Monduhr

Für die Altersbestimmung des lunaren Krustengesteins ist diese vulkanische Vorgeschichte maßgeblich. Wie auch irdisches Gestein enthält Mondgestein seit seiner Entstehung radioaktive Isotope. Da ihre Zerfallszeiten präzise bekannt sind, lässt sich aus der heutigen Konzentration auf das Alter des Gesteins schließen. Das Entscheidende: Solange das Gestein heiß ist, kann es Isotope mit seiner Umgebung austauschen. Wenn es abkühlt, zerfallen die eingeschlossenen radioaktiven Isotope – die geologische Uhr tickt.

„Der starke Vulkanismus dürfte die geologische Uhr des Mondes neu gestartet und somit verstellt haben“, erklärt Thorsten Kleine, der als Direktor am Göttinger MPS an der Studie beteiligt war. „Das Mondgestein verrät deshalb nicht sein ursprüngliches Alter, sondern nur, wann es das letzte Mal stark erhitzt war“.

Die weiter zurückliegende Vergangenheit bezeugen nur die wenigen hitzebeständigen Zirkone, wie die Rechnungen der Forscher zeigen. Denn an einigen Stellen, dort wo die Lava nicht bis zur Oberfläche drang, dürften sie so kühl geblieben sein, dass ihre innere Uhr nicht verstellt wurde.

In ihrer Vielfalt verraten die Gesteinsproben vom Mond dessen gesamte, bewegte Geschichte. Sie berichten von seiner Entstehung und seinem späteren heftigen Vulkanismus, so Kleine. „Wir haben diese Hinweise bisher nur nicht richtig gelesen.“ Demzufolge dürfte der Mond zwischen 4,43 und 4,51 Milliarden Jahre alt sein. Der heftige, von den Gezeiten ausgelöste Vulkanismus prägte ihn vor etwa 4,35 Milliarden Jahren, seine Kruste ist jedoch mindestens 80 Millionen Jahre jünger.

Vulkanische Epochen auf dem Mond gab es nicht nur in dessen frühester Jugend. Spätestens seit den Apollo-Mondflügen ist bekannt, dass Magma immer wieder die Oberfläche des Mondes überflutet hat – besonders weiträumig auf seiner erdzugewandten Seite. Das flüssige Gestein sammelte sich in den Niederungen großer Einschlagbecken und bildete dunkle Ebenen aus Basalt, die sogenannten Maria. Der Ausdruck stammt aus dem Lateinischen und bedeutet Meere. So erhielt der Erdtrabant sein „Mondgesicht“.

Vor 3,8 bis 4,0 Milliarden Jahren erreichte diese vulkanische Spielart ihren Höhepunkt. Zu Ende war sie wohl vor 3,1 Milliarden Jahren – so dachte man. Denn Untersuchungen nach der Jahrtausendwende legten nahe, dass diese Phase mit abnehmender Rate auch noch bis vor rund 2 Milliarden Jahren fortdauerte. Zudem verweist die Datierung von lunaren Meteoriten, ursprünglich wohl Lavagestein aus Mare-Regionen, auf einen Entstehungszeitpunkt vor höchstens 2,9 Milliarden Jahren. Beobachtungen von Mondsatelliten deuten sogar auf einen womöglich noch jüngeren Vulkanismus vor weniger als 1,1 Milliarden Jahren während der sogenannten Kopernikanischen Ära hin. Allerdings können diese Methoden keine genaue Zeitangabe machen.

Feurige lunare Neuzeit

Bei der Frage, wie weit der lunare Vulkanismus zeitlich an die Gegenwart heranreicht, sind Planetologen auf neues Probenmaterial angewiesen. Ab Dezember 2020 erfüllten zwei unbemannte chinesische Mondsonden diesen Wunsch. Die Mission Chang’e 5 setzte im Norden des größten Mare auf, dem Oceanus Procellarum. Dort ragt mit Mons Rümker ein bis zu 1300 Meter hohes Gebirge in den schwarzen Himmel; es wurde nach dem deutschen Astronomen Carl Rümker benannt, der im 19. Jahrhundert forschte. Aus dem Umfeld dieser kuppenförmigen Mondvulkane gab es bislang keine Gesteinsproben – nun waren über 1,7 Kilogramm verfügbar. Mit lediglich 1,96 bis 2,03 Milliarden Jahren stellten sich die Proben als relativ jung heraus.

Eine Studie, die 2024 die renommierte Wissenschaftszeitschrift Science publik machte, belegt nun erstmals vulkanische Aktivität in der geologischen Neuzeit des Mondes. Auch dabei geht es um das von Chang’e 5 zur Erde chauffierte Mondgestein. Die Untersuchungen entstammen einer Kooperation der chinesischen Universität Nanjing und der State University of New York in Albany. Dabei haben Wang Biwen und seine Kollegen rund 3.000 „Glasperlen“ aus dem Probengestein genau inspiziert. Bereits seit längerem sind solche Perlen aus den Gesteinsproben bekannt, welche die Apollo-Astronauten zur Erde brachten.

Solche mikrometerfeinen Perlen entstehen beim Einschlag von Meteoriten, aber auch bei Eruptionen gasreicher Magma. Fontänen glühender Magma verstreuten sie einst über die Mondoberfläche. Jedoch geben die Glasperlen nicht zwingend Auskunft über die vulkanische Geschichte des jeweiligen Landeplatzes. Denn Einschläge können sie noch viel später auf der Oberfläche des Trabanten weiträumig verteilt haben.

An die interessanten Vulkanperlen in den Proben von Chang’e 5 heranzukommen, gleicht der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Denn nur eine Handvoll Perlen konnten einem vulkanischen Ursprung zugeordnet werden – und zwar anhand ihrer Textur und ihrer chemischen Zusammensetzung. Dem Forscherteam zufolge lassen sich vulkanische Glasperlen insbesondere mit dem Verhältnis der Isotope Schwefel-34 zu Schwefel-32 von Impakt-Glasperlen unterscheiden. Die Datierung von dreien solcher Perlen überraschte: Die Uran-Blei-Methode ergab, dass sie erst vor 123 Millionen Jahren entstanden waren.

Ein solch junger, quasi zeitgenössischer Mondvulkanismus deutet darauf hin, dass auch kleine Himmelskörper über sehr lange geologische Zeiträume genügend innere Wärme speichern können. Deshalb liefern die neuen Resultate auch neues Datenfutter zur Beantwortung der Frage, wie sich planetare Körper im Lauf ihrer Geschichte abkühlen – damit haben sich schon viele Forschergenerationen seit Lord Kelvin beschäftigt. Zudem ergaben die Messungen, dass die vulkanischen Glasperlen erhöhte Mengen an Thorium und an Elementen der Seltenen Erden enthalten. Das könnte bedeuten, dass der junge Mondvulkanismus mit einer lokalen Anreicherung radioaktiver, also Wärme erzeugender Elemente im Mondmantel zusammenhängt.

Unterdessen geht die Erforschung der vulkanischen Geschichte unseres himmlischen Begleiters weiter. Im Juni 2024 ging in der inneren Mongolei die Landekapsel der Mission Chang’e 6 nieder. Zum ersten Mal überhaupt in der Geschichte der Raumfahrt hatte sie Bodenproben von der Mondrückseite im Gepäck. Mit diesen 1,935 Kilogramm werden die Forscher auch das neu gefundene Mondalter überprüfen. Francis Nimmo ist gespannt: „Wenn diese Proben ebenfalls viele Gesteine enthalten, die alle etwa 4,35 Milliarden Jahre alt sind, würde das zu unserem Szenario passen“, sagt er. „Sind sie jedoch deutlich älter, müssen wir uns eine neue Geschichte ausdenken.“ ■