Theia und die frühe Erde waren Nachbarn

Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren ereignete sich eine folgenschwere Katastrophe: Ein Protoplanet namens Theia kollidierte mit der jungen Erde, aus den Trümmern entstand der Mond. Doch woher kam Theia? Und woraus bestand sie? Diese Fragen haben Planetenforscher noch einmal aufgerollt. Sie führten dafür neue hochaufgelöste Analysen der Eisenisotope aus Proben von Mondgestein, Meteoriten und irdischem Gestein durch. Zusätzlich bezogen sie auch Isotopenverhältnisse weiterer Elemente ein. Dies bestätigte, dass Mond und Erdmantel im Hinblick auf die meisten Isotope nahezu ununterscheidbar sind. Theia und die junge Erde müssen demnach ungefähr im selben Bereich der Urwolke entstanden sein. Einige Abweichungen bei Molybdän-Isotopen legen aber nahe, dass der Protoplanet Theia damals der Sone etwas näher war als unser Heimatplanet.

Unser Mond verdankt seine Existenz einer schweren Kollision: Vor rund 4,5 Milliarden Jahren stieß die Erde mit dem marsgroßen Protoplaneten Theia zusammen. Dieser wurde dabei komplett zerstört, auch ein Teil der irdischen Gesteinshülle könnte vorübergehend geschmolzen und verdampft sein. Aus den Trümmern der Kollision bildete sich der Mond, der gängiger Theorie nach zum Großteil aus den Resten von Theia besteht. Weil jeder Himmelskörper im Sonnensystem seine eigene, typische Isotopensignatur besitzt, müsste sich das lunare Gestein daher von dem der Erde unterscheiden. Doch genau das ist nicht der Fall: Mond und Erde haben bei vielen Elementen nahezu identische Isotopenwerte – sowohl bei Titan, Silizium, Chrom oder Wolfram als auch bei Wasserstoff und Sauerstoff. Einige Planetenforscher vermuten deshalb, dass Theia ein chemischer Zwilling der Erde war und in der gleichen Zone der solaren Urwolke entstand.

Denkbar wäre aber auch, dass sich die Trümmer von Theia und Erde nach der Kollision stärker vermischten als es gängige Modelle vorsehen – oder dass Mond doch größtenteils aus verdampftem Erdmaterial entstand.

Spurensuche bei den Eisenisotopen

Welches dieser Szenarien zutrifft, ist bisher unklar, denn vor allem zwei Faktoren erschweren die Rekonstruktion: Bisher konnten Forschende keine intakten Trümmerteile von Theia identifizieren. Daher wissen wir nicht, wie der Protoplanet vor der Kollision zusammengesetzt war. Zum anderen haben Mond und Erde seit ihrer Entstehung verschiedenste geologische Prozesse durchlaufen, die die Verteilung und Konzentrationen der verschiedenen Elemente und Isotope an ihrer Oberfläche und in ihrem Inneren verändert haben. Bei Isotopenvergleichen müssen diese immer mitberücksichtigt werden. Dennoch lassen sich aus solchen Analysen einige Rückschlüsse auf den Ursprungsort eines Himmelskörpers ziehen.
„Die Zusammensetzung eines Körpers archiviert seine gesamte Entstehungsgeschichte, einschließlich seines Ursprungsortes“, sagt Seniorautor Thorsten Kleine vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen.

Um mehr über Theia zu erfahren, haben Kleine, Erstautor Timo Hopp vom MPS und ihre Kollegen noch einmal nach verräterischen Hinweisen in den Isotopenwerten von Mond, Erde und Meteoriten gesucht. Die Metoriten – Chondriten mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten – dienten dabei als Vergleichsobjekte. Denn frühere Analysen hatten bereits gezeigt, dass die im Außenbereich des Sonnensystems gebildeten kohlenstoffhaltigen Chondriten bei bestimmten Elementen andere Isotopenverhältnisse aufweisen als die näher an der Sonne entstandenen nicht-kohlenstoffhaltigen Chondriten. Dies spiegelt die Isotopenverteilung in der Gas- und Staubwolke des frühen Sonnensystems wider – und müsste daher auch bei Planeten Hinweise auf ihren Bildungsort liefern.

Im Fokus der Analyse von Hopp und seinem Team standen zunächst die Isotope des Elements Eisen. Dafür untersuchten sie 15 irdische Gesteine, sechs Mondproben der Apollo-Missionen und 20 verschiedene Meteoriten auf ihre Eisen-Isotopenverteilung hin. Wie schon bei anderen Elementen zeigten auch diese Vergleiche kaum Unterschiede zwischen Erd- und Mondgestein. Das Material der silikatreichen Gesteinsschichten beider Himmelskörper ist in Bezug auf sein Eisen ununterscheidbar, berichtet das Team. Im Vergleich zu Meteoriten zeigten Mond- und Erdproben klare Abweichungen zu den weit außen gebildeten kohlenstoffhaltigen Meteoriten, aber gute Übereinstimmungen mit den sonnennäheren nicht-kohlenstoffhaltigen Chondriten.

Theia kreiste näher an der Sonne als die Erde

Diese Ergebnisse allein reichen demnach nicht aus, um das Rätsel um Theia, den Mond und die Erde zu lösen. Deshalb haben Hopp und seine Kollegen ein Modell zu Hilfe genommen. Ziel war es herauszufinden, welche Zusammensetzungen und Größen von Theia und der frühen Erde am ehesten zu den Isotopenwerten führen, die heute messbar sind. In dieses „Reverse Engineering“ bezogen die Forschenden neben ihren Eisen-Resultaten auch die Ergebnisse von Isotopenvergleichen anderer Elemente wie Chrom, Molybdän und Zirkonium mit ein. Dabei zeigte sich: Sowohl Theia als auch die Erde sind im inneren Sonnensystem und in einem ähnlichen Bereich der solaren Urwolke entstanden. „Erde und Theia waren wahrscheinlich Nachbarn“, sagt Hopp. Das könnte erklären, warum auch heutige Erde- und Mondgesteine so große Ähnlichkeit aufweisen: Schon die beiden Himmelskörper, aus denen sie stammen, waren sich chemisch und isotopisch ähnlich.

Allerdings gibt einen kleinen Unterschied bei bestimmten Molybdän-Isotopen, die typischerweise in Sonnennähe stärker vertreten sind. „Sollte sich dies bestätigen, dann halten wir ein Szenario für wahrscheinlich, bei dem sich Theia näher an der Sonne bildete als die Planetenbausteine der jungen Erde“, erklären die Forschenden. Der Protoplanet Theia könnte demnach knapp innerhalb der Erdbahn um die Sonne gekreist haben, bevor er mit der Urerde zusammenstieß und zerstört wurde.

Quelle: Timo Hopp (Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen) et al., Science, doi: 10.1126/science.ado0623

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar