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Eine Charakterisierung der Erstarrung des frühen Magmaozeans auf dem Mond

Was den Mond betrifft, denken viele vielleicht: „Da waren wir schon, haben Proben eingesammelt, das war‘s“. Aber angesichts der Tatsache, dass sich nun eine Rückkehr auf den Erdtrabanten abzeichnet, zeigt MoonDiff auf, dass es noch viel über die Ursprünge und Entwicklung des Mondes zu entdecken gibt.

Weltraum

Der Mond war wahrscheinlich einst mit Magma überzogen, das sich abkühlte und zu dem Gesteinsmaterial kristallisierte, das wir heute dort vorfinden. Im Laufe der Zeit bildeten sich verschiedene Minerale, von denen einige die Mondkruste bildeten, was die unterschiedlichen Gesteinsarten erklärt, die auf der Oberfläche zu finden sind. Diese geben uns Hinweise über die Entwicklung des Mondes und erzählen auch eine Geschichte über die Entstehung von Planeten im Allgemeinen. Allerdings mangelt es den entsprechenden Modellierungsverfahren an vielfältigen Proben, um eine hohe Genauigkeit erzielen zu können. Die US-amerikanischen Apollo-Missionen und das sowjetische Luna-Programm erkundeten nur wenige Quadratkilometer der Mondoberfläche und Fernerkundungsdaten legen nahe, dass die dabei gewonnenen Proben nicht repräsentativ für die Mondkruste als Ganzes sind. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderte Projekt MoonDiff verfolgte die Erstarrung des Magmaozeans auf dem Mond nach. „Zum ersten Mal konnten wir Daten über das Verteilungsverhalten radiogener Paare für Minerale und über die Druck- und Temperaturbedingungen des Mondes gewinnen“, so der leitende Forscher Joshua Snape von der VU Amsterdam, die als Projektträger fungierte. Darüber hinaus lieferten neue Analysen der Proben vom Mond die genausten verfügbaren Datierungen des Gesteins, das während der Apollo-Missionen gesammelt wurde, sowie für einige der ältesten bekannten Vulkangesteine vom Mond, die man in Meteoriten fand. Die Ergebnisse dieser Analysen wurden in eine neue Datenbank über die Isotopenzusammensetzung von Blei in vulkanischem Gestein vom Mond eingespeist, die bestehende Datenbanken über andere Isotope ergänzt.

Kombinierte Isotopenanalysen unter neuen experimentellen Einschränkungen

MoonDiff musste herausfinden, wo sich verschiedene Elemente im Magmaozean des Mondes befinden würden. „Der Mond ist ein großartiges natürliches Labor, in dem uraltes Gestein aus der ersten festen Kruste, die sich über dem Magmaozean gebildet hat, an der Oberfläche überlebt hat“, fügt Snape hinzu. Das Team verglich vorherige Isotopenanalysen mit seinen eigenen Experimenten. Isotope sind die verschiedenen Varianten eines chemischen Elements. Durch den Vorgang des radioaktiven Zerfalls können Isotope eines Elements in Isotope anderer Elemente übergehen. Beispielsweise entsteht entsprechend seiner Zerfallsreihe aus Uran Blei. Man spricht dann davon, dass diese Elemente ein Paar bilden. Forschende nutzen diesen Vorgang, um das Alter und die Herkunft von Gesteinen zu bestimmen, was zu Modellierungen beiträgt. Im Rahmen der Experimente von MoonDiff wurden Pulver chemischer Oxide erzeugt, die in ihrer Zusammensetzung dem Magmaozean des Mondes ähnelten. Anschließend wurden Spuren der Elemente hinzugefügt, die untersucht werden sollten – vor allem: Uran (U), Blei (Pb), Rubidium (Rb), Strontium (Sr), Samarium (Sm), Neodym (Nd), Lutetium (Lu) and Hafnium (Hf). Nachdem dieses Gemisch zu Glas zusammengeschmolzen und dann wieder zu einem feinen Pulver zerstoßen wurde, wurde es in einer Kolben-Zylinder-Presse auf 1 000-1 300 Grad Celsius erhitzt und einem Druck von 1-2 Gigapascal (10 000-20 000 Atmosphären) ausgesetzt, um das Innere des Mondes zu simulieren. Dabei entstanden Kristalle derselben Minerale, die auch im jungen Mond gebildet worden wären. Die Kristalle wurden auf verschiedene Spurenelemente untersucht, um das sogenannte Verteilungsverhalten der Kristallstruktur des Minerals zu quantifizieren. Die Ergebnisse wurden in Modelle eingespeist, die die Anteile verschiedener Minerale bestimmten, die wahrscheinlich in verschiedenen Stadien der Magmakristallisation entstanden. Dadurch konnten die Verhältnisse zwischen Elementenpaaren eingeschränkt werden, die an verschiedenen Orten des Mondes vorkommen könnten. Diese wurden dann mit Berechnungen auf Grundlage von Messungen an tatsächlichen Proben verglichen. Während die Verhältnisse zwischen Rb/Sr und Sm/Nd aus den Probenmessungen nachgebildet werden konnten, ist es nach wie vor schwierig, die U/Pb-Verhältnisse zu replizieren. Die natürlichen Proben legen nahe, dass die Verhältnisse zwischen Uran und Blei wesentlich höher gewesen wären, als man es durch Experimente erreichen könnte oder als aktuelle Modelle angeben würden. „Der Mond könnte wesentlich jünger sein, als ursprünglich angenommen – etwa 4,4 Milliarden Jahre alt. Oder falls er älter ist, etwa 4,5 Milliarden Jahr alt. Große Bleimengen wurden entweder in den Mondkern transportiert oder gingen durch Asteroiden- und Kometeneinschläge im Weltall verloren“, erklärt Snape. Das Team untersucht nun, wie diese Einschläge diese Anomalien erklären könnten.

Schlüsselbegriffe

MoonDiff, Mond, Planeten, Apollo, lunar, Elemente, Isotope, Magma, Weltall, Asteroid, Komet, Mineral, Kristallisation

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