Mond ist älter als gedacht: Aber wie alt ist der Erdtrabant?

Von Markus Brauer

Wenige hundert Millionen Jahre nach seiner Entstehung dürfte der Mond Schauplatz so ungeheurer vulkanischer Aktivität gewesen sein, dass seine gesamte Kruste mehrfach aufschmolz und sich komplett umwälzte. Statt auf seiner heutigen Bahn kreiste der Erdtrabant damals in größerer Nähe um die Erde.

Die dabei entstehenden Gezeitenkräfte heizten sein Inneres auf und lieferten so den „Antrieb“ für den heftigen Vulkanismus. Nur der Jupitermond Io, der bei Weitem vulkanisch aktivste Körper im Sonnensystem, bietet vergleichbare Bedingungen.

Die neuen Überlegungen, die ein von der University of California Santa Cruz, vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) und vom Collège de France heute in der Fachzeitschrift Nature vorstellen, lösen bisherige Widersprüche und Ungereimtheiten das Alter des Mondes betreffend. Die Studie ist im Fachmagazin

„Nature“ erschienen.

What is the origin of our #Moon? It likely formed when a Mars-sized body collided with Earth about 4.5 billion years ago. The debris from the impact clumped together and our Moon was formed! Tonight, we hope you enjoy the Cold Moon, the last full moon of 2024. pic.twitter.com/Y6jxHigDWf — Canadian Space Agency (@csa_asc) December 15, 2024

Gesteinsproben vom Mond deuten auf jüngeres Mondalter

Der Erdtrabant gibt sein Alter offenbar nur ungern preis. Versuche seinem Geheimnis auf die Schliche zu kommen, liefern Schätzungen, die zum Teil einige hundert Millionen Jahre auseinanderliegen: Während einige Forschende vermuten, dass unser kosmischer Begleiter vor 4,35 Milliarden Jahren entstand, datieren andere seine Geburtsstunde auf einen Zeitpunkt vor 4,51 Milliarden Jahren.

Eine der auffälligsten Ungereimtheiten dabei ist von steinerner Natur: Fast alle Gesteinsproben vom Mond deuten auf das jüngere Mondalter. Aber einzelne, seltene Kristalle aus Zirkoniumsilikat - so genannte Zirkone – sind deutlich älter. Wie ist das möglich?

In der neuen Studie gelingt es den Forschern, diesen Widerspruch zu lösen. Demnach schmolzen Teile der Kruste des Erdtrabanten nach seiner Entstehung noch einmal auf. Nur wenige Zirkone konnten diesen extremen Bedingungen unverändert trotzen.

Eine Kollision und ihre Folgen

Die Geschichte des Mondes beginnt mit einer gewaltigen Kollision. In den frühen Tagen des Sonnensystems krachte ein etwa Mars-großer Brocken in die noch junge Erde. Der Zusammenprall erzeugte so viel Hitze, dass unser Planet vollständig aufschmolz, und schleuderte eine riesige Menge an Material ins All.

Daraus ballte sich der Mond zusammen, zunächst bedeckt von einem riesigen Ozean aus heißem, flüssigem Gestein. In den folgenden Jahrmillionen kühlte der neu entstandene Körper ab und entfernte sich auf seinen Kreisbahnen immer weiter von der Erde, bis er seine heutige Umlaufbahn in einem Abstand von etwa 384.400 Kilometern erreichte.

Der Mond in der Frühphase seiner Entstehung

„Uns interessiert besonders die Phase, als der Abstand zwischen Erde und Mond in etwa ein Drittel der heutigen Entfernung betrug“, erklärt Francis Nimmo von der University of California Santa Cruz, Erstautor der Studie.

Zu diesem Zeitpunkt kam es zu verschiedenen Veränderungen in Lage und Form der Mondumlaufbahn. Unter anderem wurde sie elliptischer, so dass innerhalb jeder Umrundung die Geschwindigkeit des Mondes sowie sein Abstand zur Erde merklich variierte.

Jupitermond Io erinnert an Mond in seiner Frühphase

Die so wirkenden Kräfte „walkten“ sein Inneres so stark durch, dass er aufheizte. Eine ähnliche Situation ist noch heute vom Jupitermond Io bekannt, der ebenfalls auf leicht elliptischer Umlaufbahn um den Gasriesen reist. Die gewaltigen Gezeitenkräfte des Jupiters machen den kleinen Mond so zum vulkanisch aktivsten Körper im Sonnensystem. Der frühe Erdmond dürfte ihm kaum nachgestanden haben.

Den Berechnungen der Forscher zur Folge reichte der Wärmefluss aus dem Innern des Mondes aus, um den gesamten Mantel aufzuschmelzen und umzuwälzen. Zwar bedeckte in dieser Phase zu keinem Zeitpunkt ein Magma-Ozean den kompletten Mond.

Aber im Laufe mehrerer Millionen Jahre entlud sich die Hitze aus dem Innern nach und nach überall und verflüssigte Teile des Krustengesteins – möglicherweise sogar mehrfach. An manchen Stellen drang die heiße Lava an die Oberfläche, an anderen blieb sie unterhalb und erhitzte das darüberliegende Gestein.

Verstellen der geologischen Uhr

Für die Altersbestimmung des Krustengesteins ist diese vulkanische Vorgeschichte maßgeblich. Wie auch irdisches Gestein enthält Mondgestein seit seiner Entstehung radioaktive Isotope. Das sind Spielarten bestimmter Atome, die radioaktiv zerfallen. Da ihre Zerfallszeiten bekannt sind, lässt sich aus der heutigen Konzentration auf das Alter des Gesteins schließen.

Das Entscheidende ist nun: Solange das Gestein heiß ist, kann es Isotope mit seiner Umgebung austauschen. Wenn es abkühlt, friert seine aktuelle Zusammensetzung ein. Die eingeschlossenen radioaktiven Isotope beginnen zu zerfallen, die geologische Uhr zu ticken.

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

Gesteinsproben vom Mond verraten seine bewegte Geschichte

Zeugnis der weiter zurückliegenden Vergangenheit liefern nur einige wenige hitzebeständige Zirkone, wie die Rechnungen der Forscher zeigen. An einigen Stellen, an denen die Lava nicht bis zur Oberfläche drang, dürften sie so kühl geblieben sein, dass ihre innere Uhr nicht beeinträchtigt wurde.

„In ihrer Vielfalt verraten uns die Gesteinsproben vom Mond seine gesamte, bewegte Geschichte. Sie berichten von seiner Entstehung und seinem späteren heftigen Vulkanismus. Wir haben bisher diese Hinweise nur nicht richtig gelesen“, betont Kleine. Der Mond selbst dürfte demnach zwischen 4,43 und 4,51 Milliarden Jahre alt sein. Der heftige Vulkanismus prägte ihn vor etwa 4,35 Milliarden Jahren.

Des Rätsels Lösung

Die neuen Erkenntnisse lösen auch viele weitere Widersprüche, die Forscher bisher umgetrieben hatten. So sprachen gegen ein hohes Alter des Mondes seine vergleichsweise wenigen Krater. In so langer Zeit hätte unser Nachbar eigentlich mehr Einschläge kosmischer Brocken „einsammeln“ müssen.

Der spätere Vulkanismus bietet nun eine Erklärung. „Lava aus dem Innern des Mondes könnte die frühen Einschlagsbecken aufgefüllt und so unkenntlich gemacht haben“, berichtet Koautor Alessandro Morbidelli vom Collège de France.

Vor ein weiteres Rätsel stellte Forscher die Zusammensetzung des Mondmantels. Das ist die Gesteinsschicht, die sich direkt unterhalb der Mondkruste anschließt. Ihre Zutatenliste weicht von der der Erde in entscheidenden Punkten ab. War das Innere des Mondes jedoch ein zweites Mal aufgeschmolzen, könnten einige Stoffe vom Mantel in den darunterliegenden Eisenkern entschwunden sein.

„Durch die neuen Ergebnisse fügen sich alle Puzzleteile, die zuvor nicht zusammenpassen wollten, zu einem stimmigen Gesamtbild der Mondentstehung zusammen“, sagt Kleine.