Bombardement von Planeten im frühen Sonnensystem

Untersuchungen zum Asteroiden Vesta liefern neue Erkenntnisse zur Entstehung erdähnlicher Planeten.

Der größte Asteroid unseres Sonnensystems – Vesta – war sehr viel früher einer umfangreichen Einschlagserie großer Gesteinskörper ausgesetzt als bislang angenommen. Zu dieser Schlussfolgerung kommen Forscher einer internationalen Kollaboration unter Beteiligung von Geowissenschaftlern der Universität Heidelberg und der Freien Universität Berlin. Ihr Befund beruht auf Analysen von Vesta-Meteoriten, numerischen Simulationen sowie Untersuchungen mit der Raumsonde „Dawn“ aus den Jahren 2011 und 2012 und bietet ein neues Bild von der Chronologie der Kollisionsgeschichte im frühen Sonnensystem. Das frühe Bombardement betraf alle erdähnlichen Planeten und liefert damit auch wichtige Erkenntnisse zur Frühphase unserer Erde.

Die erdähnlichen Planeten im frühen Sonnensystem wuchsen zunächst durch die Haftung winziger Staubkörner, im Endstadium dann durch Einschläge immer größerer Gesteinskörper. Dies trifft auch auf den Asteroiden Vesta zu. In der Frühphase seiner Entstehung heizte sich Vesta immer stärker auf, so dass ein oberflächennaher Magmaozean sowie ein flüssiger metallischer Kern im Inneren entstanden. Im Laufe der Zeit schlugen andere Körper auf der Kruste von Vesta ein, wodurch auch Material als Meteoriten auf die Erde transportiert wurde. Chemische Analysen dieser Meteoriten haben gezeigt, dass weitere kosmische Einschläge die Zusammensetzung von Vestas Kruste und Mantel auch nach der Kernbildung erheblich verändert haben. Die Masse, die sich unmittelbar nach der Bildung des Kerns von Vesta ansammelte, war wesentlich größer als die, die später hinzugekommen ist, wie Prof. Dr. Harry Becker, Geowissenschaftler der Freien Universität Berlin, erläutert.

Mit Modellrechnungen der thermischen Entwicklung von Vesta, die von Dr. Wladimir Neumann am Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg durchgeführt wurden, konnte nun der Zeitraum der frühen Einschläge besser eingegrenzt werden. „Damit das Material der einschlagenden Körper dem Mantel überhaupt einigermaßen homogen beigemischt werden kann, muss dieser heiß genug sein und sich konvektiv umwälzen“, erklärt Dr. Neumann. „Unsere Modelle haben ergeben, dass dies nur für Einschläge innerhalb der kurzen Zeitspanne vor 4,56 bis etwa 4,50 Milliarden Jahren zutrifft.“ Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass die Hauptphase dieser Bombardierung erst viele hunderte Millionen Jahre später erfolgte – etwa zu einer Zeit, als sich auf dem Mond einige der großen Einschlagskrater bildeten.

Zudem stammen die einschlagenden Körper offenbar nicht, wie bislang vermutet, aus dem heutigen Asteroidengürtel, sondern aus dem inneren Sonnensystem, in dem sich die terrestrischen Planeten gebildet haben. „Für unsere Erde unterstreicht dies nochmals die Bedeutung einer frühen heißen Phase mit einem Magmaozean, der durch große Einschläge fortlaufend erneuert wurde. In dieser Zeit war die Atmosphäre über viele Millionen Jahre glühend heiß. Erst viel später konnten sich Wasserozeane bilden, indem der heiße Wasserdampf abkühlte und abregnete“, erläutert Prof. Dr. Kai Wünnemann vom Museum für Naturkunde Berlin und der Freien Universität Berlin.

Die Forschungsarbeiten an der Universität Heidelberg wurden maßgeblich von der Klaus Tschira Stiftung gefördert. Die Beiträge aus Berlin sind Teil des unter anderem auch von der Universität Münster getragenen Sonderforschungsbereichs/Transregio „Late Accretion onto Terrestrial Planets“, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. An der internationalen Studie beteiligt waren außerdem Wissenschaftler der Macau University of Science and Technology (Macau), der Université de Nice Sophia-Antipolis (Frankreich), der University of California at Davis und der University of California San Diego (beide USA), der Universität Bayreuth, des Planetary Science Institute in Tucson (USA) und des Instituts für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Bilderläuterung:
Visualisierung konvektiver Umwälzungen, die im Inneren von Vesta in der frühen Evolutionsphase des Asteroiden stattfanden. In der äußeren Hülle ist das Gestein aufgrund der niedrigen Temperatur starr und unbeweglich. Mit der Tiefe steigt die dimensionslose Temperatur an. Im Inneren werden aufsteigende Ströme des wärmeren und weniger dichteren Materials und absteigende Ströme des kälteren und dichteren Materials visualisiert.

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Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Wladimir Neumann
Universität Heidelberg
Institut für Geowissenschaften
wladimir.neumann@geow.uni-heidelberg.de

Prof. Dr. Kai Wünnemann
Museum für Naturkunde Berlin
Freie Universität Berlin
Telefon (030) 2093 8857
kai.wuennemann@mfn.berlin

Prof. Dr. Harry Becker
Freie Universität Berlin
Institut für Geologische Wissenschaften
Telefon (030) 838 70668
hbecker@zedat.fu-berlin.de

Originalpublikation:

M.-H. Zhu, A. Morbidelli, W. Neumann, Q.-Z. Yin, J.M.D. Day, D.C. Rubie, G.J. Archer, N. Artemieva, H. Becker, K. Wünnemann: Common feedstocks of late accretion for the terrestrial planets. Nature Astronomy (30 September 2021), https://doi.org/10.1038/s41550-021-01475-0

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