Planeten: Rätsel der Verarmung gelöst?

Verdampfte Elemente: Warum haben die Erde, Mars und Co eine andere Zusammensetzung als die Urwolke und viele Asteroiden? Dieses Rätsel könnten Forscher nun gelöst haben. Demnach liegen die Ursachen in der Planetenbildung selbst: Bei Kollisionen zwischen den Bausteinen der Planetenbildung verdampften ihre leichtflüchtigeren Elemente. Erst aus diesen verarmten Bausteinen entstanden dann die Planeten, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ erklären.

Die Sonne und alle Himmelskörper im Sonnensystems haben den selben Ursprung: Sie alle entstanden aus dem Material der Urwolke und müssten daher chemisch einander sehr ähnlich sein. Doch das ist nicht der Fall. So haben die Sonne und ihre Planeten differierende Isotopen-Verhältnisse bei Sauerstoff und Stickstoff.

Rätselhaft verarmt

Seltsam auch: Die Planeten enthalten weniger leichtflüchtige, gesteinsbildende Elemente als die einstige Urwolke und ursprüngliche Asteroiden. So macht beispielsweise Magnesium rund 15 Prozent der gesamten Masse der Erde aus, in der Urwolke und in vielen Asteroiden hat dieses Element aber einen deutlich höheren Anteil. Auch Blei, Zink, Indium und Alkalimetalle kommen in Kruste und Mantel der Erde weniger häufig vor als in alten Gesteinsmeteoriten.

Aber warum? Dieser Frage sind nun zwei Forscherteams nachgegangen. Remco Hin von der University of Bristol und sein Team haben die Magnesium-Isotope in Gesteinsproben von der Erde, von Marsmeteoriten und – über Daten der Raumsonde Dawn – auch im Asteroiden Vesta analysiert. Ashley Norris und Bernard Wood von der University of Oxford haben untersucht, wie das Erhitzen und Verdampfen die Elementzusammensetzung von Gesteinsproben verändert – und damit die Prozesse im frühen Sonnensystem nachvollzogen.

Computersimulation einer Kollision zweier Planetesimale. Sie lässt Gestein schmelzen (gelb) und verdampfen(rot). © Philip J. Carter

Verdampft bei Kollisionen

Beide Gruppen kommen zum gleichen Ergebnis: Erklärbar ist der seltsame Mangel an leichtflüchtigen Elementen nur dadurch, dass diese schon während der Planetenbildung verloren gegangen sind. Magnesium, Zink und Co müssen demnach entwichen sein, als die Planetenbausteine miteinander kollidierten und so zu immer größeren Brocken heranwuchsen.

Das Szenario: Als die Planetenbausteine mit großer Wucht kollidierten, schmolz und verdampfte ein Teil ihres Silikatgesteins. Bei Brocken kleiner als etwa 100 Meter, konnte ihre Schwerkraft die Hülle aus Gesteinsdampf nicht festhalten und die verdampften Elemente entwichen ins All. Als nun diese Brocken weiter zusammenklumpten und schließlich Planeten bildeten, „erbten“ diese ihre verarmte Zusammensetzung.

40 Prozent gingen verloren

„Erst diese Kette von Ereignissen schuf die einzigartige Zusammensetzung der Erde und anderen terrestrischen Planeten“, sagt Hin. „Wir schätzen, dass mehr als 40 Prozent der Erdmasse schon während ihrer Entstehung durch wiederholtes Verdampfen bei ihren Bausteinen verloren ging.“

Im Falle der Erde könnte die gewaltige Kollision, die einst den Mond schuf, für einen Großteil dieses Verlusts verantwortlich sein. Aber auch kleinere Kollisionen zwischen Planetesimalen reichen für eine solche Verarmung aus.

„Diese Ergebnisse verändern unsere Sicht darauf, wie Planeten ihre physikalischen und chemischen Merkmale bekommen“, sagt Hin. Die Wissenschaftler vermuten, dass dieser Prozess nicht nur für die terrestrischen Himmelskörper in unserem Sonnensystem prägend gewesen sein könnte: Auch erdähnliche Exoplaneten könnten diese Folge ihrer kollisionsreichen Entstehung in sich tragen. (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature23899; doi: 10.1038/nature23645)

(Nature, 28.09.2017 – NPO)