Mond-Rätsel gelöst: Warum die Seiten des Trabanten so anders aussehen

Kollisionen, riesige Krater und Seen aus flüssiger Lava – all das gab es auf unserem Mond, wie Wissenschaftler nun in einer spektakulären Entdeckung herausgefunden haben.

Wir schreiben das Jahr 1959. Eine Raumsonde der Sowjets ist auf einer absolut historischen Mission, vermutlich eine der historischsten der gesamten Menschheitsgeschichte. Lunik 3 soll das erste Mal die Rückseite, also die erdabgewandte Seite des Mondes erkunden. Der Mond rotiert um die Erde mit einer sogenannten gebundenen Rotation. Das bedeutet, wir sehen immer nur dieselbe Seite. 

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Was ist auf der anderen Seite des Mondes?

Seit Anbeginn der Menschheit haben unsere Vorfahren hoch zum Mond gesehen und sich gefragt: Was ist eigentlich auf der anderen Seite? Dieses Menschheitsrätsel sollte nun Lunik 3 lösen. Und tatsächlich: Lunik schickte das untenstehende Foto zurück. Das erste Mal, das die Menschheit die andere Seite des Mondes zu Gesicht bekam. Was für ein unglaublicher Meilenstein.

Lunik 3: Foto von der Rückseite des Mondes

Seit den Anfängen der Monderforschung steht die Wissenschaft vor einem großen Rätsel: Die erdabgewandte Seite des Mondes besitzt mehr Krater als die erdzugewandte Seite, die eher von riesigen gleichmäßigen Tiefebenen durchzogen ist, den sogenannten Mond-Maren. Auf der Darstellung unten seht Ihr die Unterschiede zwischen den beiden Seiten. 

Deutlich sichtbarer Unterschied zwischen den beiden Mondseiten

Weshalb es so große Unterschiede zwischen Vorder- und Rückseite gibt, war lange Zeit ungeklärt. Denn mit der frühen Entstehungsgeschichte des Mondes an sich ist es nicht zu erklären. Nach allgemein anerkannter Theorie entstand der Mond vor knapp viereinhalb Milliarden Jahren, als ein anderer Planet namens Theia die noch junge Erde gerammt hat. In diesem kolossalen Planeten-Crash ist ein riesiges Stück der Erde abgebrochen, Theia wurde komplett zerstört und aus den Überresten von Theia und den Stücken der Erde formte sich der Mond. Da er sich aus einer heißen Masse von planetarem Material formte, ist nicht wirklich ersichtlich, weshalb die beiden Seiten sich unterscheiden sollten. Vielmehr müssten sie relativ gleichmäßig aussehen. Irgendwas scheint also nach der Entstehung des Mondes noch passiert zu sein. 

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Einschlag ist Schuld für die unterschiedlich aussehenden Mondseiten

Der Planetenforscher Matt Jones von der Brown University ist dem Rätsel nun auf die Schliche gekommen und hat herausgefunden, was unserem Mond wahrscheinlich zugestoßen ist. Die Antwort ist, wie fast immer im Weltraum, eine Kollision. Scheinbar erlitt der Mond einige Zeit nach seiner Entstehung einen heftigen Einschlag. Das führte dazu, dass die erdzugewandte Seite sich in einen riesigen Lavaozean verwandelte. Die Unterschiede, die dadurch entstanden, sind mehr als nur oberflächlich, denn sie spiegeln sich auch in den geologischen Zusammensetzungen der beiden Seiten des Mondes wider. Der Einschlagsort ist das Südpol-Aitken-Becken, ein gigantischer Krater am Südpol des Mondes mit mehr als 1000 Kilometer Durchmesser. Und wenn Ihr euch diese Darstellung des Südpol-Aitken-Becken mal anschaut, stellt Ihr fest, dass es nicht genau am Südpol liegt sondern leicht in Richtung einer der Seiten des Mondes verschoben ist. 

Bild des Südpol-Aitken-Beckens auf dem Mond

Simulationen haben gezeigt, dass das der Einschlag, das sogenannte Südpol-Aitken-Becken-Ereignis, kurz SAB-Ereignis, das sich vor etwa 4,3 Milliarden Jahren ereignete, genau zur richtigen Zeit und am richtigen Ort stattfand, um Veränderungen auf nur einer Seite des Mondmantels auszulösen. Die durch den Einschlag erzeugte enorme Hitze hat den oberen Mantel auf der erdzugewandten Seite so stark erwärmt, dass es nach Ansicht des Forscherteams auf dieser Seite zu einer Konzentration von Kalium, Seltenen Erden, Phosphor und wärmeerzeugenden Elementen wie Thorium gekommen wäre. Und genau diese Elementmischung, die die Forscher in ihrer Simulation ausgerechnet haben, hat man auch in Bodenproben der erdzugewandten Seite des Mondes entdeckt, vor allem im sogenannten Procellarum KREEP Terrane, einer großen Anomalie auf der Mondoberfläche, die bekannt ist für ihren hohen Anteil an den eben genannten Elementen. 

Auf der Darstellung unten seht Ihr den Thorium-Gehalt der Mondoberfläche, wobei das Procellarum KREEP Terrane deutlich hervorsticht, und wir auf der erdabgewandten Seite des Mondes (rechts) kaum Thoriumvorkommen sehen. Das Szenario passt also perfekt: Durch das SAB-Ereignis wurde die erdzugewandte Seite des Mondes in eine gigantische heiße Lava-Hölle verwandelt, die wärmeproduzierenden Elemente wurden dort konzentriert und als die Oberfläche wieder fest wurde, verwandelte sie sich in die uns heute bekannten Mare, also in glatte ebene Strukturen.

Darstellung des Thorium-Gehalts auf dem Mond

Da es auf der erdabgewandten Seite keinen Lava-Ozean gab, hat der Mond dort kein solches Facelifting erhalten und die wärmebildenden Elemente fehlen fast komplett. Matt Jones beschreibt es so: “Wir zeigen, dass unter allen plausiblen Bedingungen, die zur Zeit der Entstehung vom Südpol-Aitken-Becken herrschten, diese wärmeproduzierenden Elemente auf der Nahseite konzentriert wurden. Wir gehen davon aus, dass dies zur Mantelschmelze beigetragen hat, die zu den Lavaströmen geführt hat, die wir an der Oberfläche sehen.”

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Unglaubliche Entdeckung: Im Erdkern liegen Tonnen von Helium

Forscher haben einen spektakulären Fund im Erdkern gemacht. Dort verbirgt sich etwas, das wohl schon seit der Entstehung der Erde dort schlummert: Helium-3.

Helium-3 kennt man aus vielen Science-Fiction-Filmen als begehrte Ressource auf dem Mond. Jetzt haben Forscher eine gigantische Menge davon im Inneren unserer Erde gefunden. Rund zwei Milliarden Tonnen des primordialen Isotops Helium-3 sind im Metall unseres Erdkerns gebunden. Und das ist wirklich eine erstaunliche Entdeckung, denn, obwohl Helium das zweithäufigste Element im Kosmos ist, kommt es auf der Erde relativ selten vor. 

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Woher kommt Helium?

Helium wird in Sternen wie unserer Sonne ausgebrütet – dort wird bei der sogenannten Kernfusion Wasserstoff zu Helium fusioniert. Aber auf der Erde ist Helium rar und der Grund dafür ist offensichtlich: Helium ist extrem flüchtig. Wenn es freigesetzt wird, steigt es nach oben und wird auch von der Erdschwerkraft nicht festgehalten. Ihr kennt das alle von Helium-Luftballons. In unterirdischen Hohlräumen können sich irdische Heliumvorräte aber halten. Dass im Inneren der Erde aber derart viel Helium-3 gelagert ist, das hätte wohl niemand gedacht. Es war zwar bekannt, dass es dort eine gewisse Menge an Helium gibt. Denn immerhin dringt aus vielen Vulkanen jede Menge Helium nach außen – aber mit zwei Milliarden Tonnen hat niemand gerechnet. 

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Helium-3: Schon immer dabei

Da stellt sich die Frage, wie diese Menge an Helium da hin kommt? Die Atome des Isotops Helium-3 entstanden schon kurz nach dem Urknall. Solche Isotope bezeichnet man auch als primordial. Sie waren von Anfang an dabei. Das bedeutet, dass das Helium-3 nicht durch Prozesse im Erdinneren entstanden ist, sondern dass die Erde es bei ihrer Entstehung eingesammelt haben muss. Vor etwa fünf Milliarden Jahren ist die Erde in einer gigantischen protoplanetaren Scheibe entstanden, eine riesige Ansammlung von Gas, Steinchen und Staub um die noch junge Sonne. In dieser protoplanetaren Scheibe hat sie dann auch riesige Mengen an Helium-3 eingesammelt, die seitdem in ihrem Inneren schlummern. So weit, so unmysteriös. 

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Aber jetzt wirds knifflig: Die Erde hat in der Vergangenheit einen kleinen Unfall erlitten. Sie stieß mit einem Planeten namens Theia zusammen, der etwa die Größe des Mars besaß. Bei dieser Kollision ist ein großes Stück der Erde abgebrochen, aus dem sich schließlich der Mond geformt hat. Hätte sich bei diesem planetaren Crash, der schon viele Milliarden Jahre in der Vergangenheit liegt, nicht das gesamte innerhalb der Erde gespeicherte Helium nicht verflüchtigen müssen? Immerhin hatte die Erde nach dem Zusammenstoß ein riesiges Loch. 

Die Kollision der Erde mit Theia

Wie konnte also das riesige Helium-3-Reservoir im Erdkern den Zusammenstoß mit Theia überstehen? Die Antwort fanden nun Forscher der University of New Mexico in Albuquerque, die mithilfe von Laborexperimenten und geophysikalischen Modellen herausgefunden haben, dass der Helium-3-Vorrat sich sehr tief im Kern der Erde befinden muss, so tief, dass es vor der Kollision mit Theia geschützt war. Und der Grund für diese Tiefenlage ist in den Verhältnissen der damals noch sehr jungen Erde zu suchen. 

Das Helium der Ur-Erde

Damals war es auf unserem Planeten unangenehm heiß. Die Erde war bedeckt von riesigen Lava-Ozeanen, von Leben weit und breit keine Spur. Vermutlich hatte unser Planet damals Ähnlichkeit mit dem Lavaplaneten Mustafar aus Star Wars Episode 3, auch wenn es natürlich auf der Erde keine spektakulären Lichtschwert-Duelle gibt. Damals sah nicht nur die Oberfläche der Erde anders aus als heute, sondern auch ihre Atmosphäre – die war wesentlich heliumhaltiger. Und andauernd vermischte sich Helium aus der dichten Uratmosphäre der jungen Erde mit den Lavaozeanen, also in das geschmolzene Gestein. Als der Lavaozean abkühlte, blieb eine Menge Helium im nun festen Gestein gebunden. 

Aber ein Teil des Heliums sank wohl noch tiefer hinab. Die Forscher der University of New Mexico beschreiben es so: „Experimente zeigen, dass nur ein kleiner Anteil des in der Silikatschmelze gelösten Heliums in die eisenreichen Flüssigkeiten überging, während diese durch den Magmaozean in die Tiefe sanken. Aber dieses Wenige war genug, um substanzielle Mengen an Helium-3 in den Proto-Erdkern zu transportieren.“ Das bedeutet: Ein kleiner Anteil des Helium-3 verblieb nicht im Gestein, sondern sank mit schwereren Elementen wie Eisen tiefer in den Erdkern hinab. Und während der Großteil des im Gestein gebundenen Heliums durch den Crash mit Theia in den Weltraum geschleudert wurde, überdauert der Teil des Heliums, der in den Erdkern gesunken ist, dort bis heute. 

Die verschiedenen Schichten der Erde: Vom Mantel bis zum Kern

Aber die genauen Prozesse zwischen Erdkern und Erdmantel sind immer noch relativ mysteriös. Findet zum Beispiel ein Austausch des Heliums zwischen Kern und Mantel statt? Die Forscher denken, dass das neben Faktoren wie der Temperatur und der Beschaffenheit der Kern-Mantel-Grenze vor allem vom Konzentrationsgefälle zwischen beiden Erdschichten abhängt. Zwischen dem Erdkern und dem Erdmantel findet also ein stetiger Helium-Austausch statt und das Helium, das irgendwann von Vulkanen emittiert wird, stammt vermutlich ursprünglich aus dem Kern.

Es ist doch wirklich faszinierend, sich vorzustellen, dass in unserer Erde noch direkte Rückstände der Zeit kurz nach dem Urknall zu finden sind. Und so sieht es auch das Forscherteam, das schreibt: “Es ist ein Wunder der Natur und ein Schlüssel zur Geschichte der Erde, dass noch immer signifikante Mengen dieses primordialen Isotops im Erdinneren vorhanden sind”.

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