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Heftiges „spätes Bombardement“ der Planeten im frühen Sonnensystem

Modell der Stoffumwälzungen im Inneren von Vesta

Presseinformation, 30.09.2021

Vesta, der größte Asteroid unseres Sonnensystems, war sehr viel früher einer umfangreichen Einschlagserie großer Gesteinskörper ausgesetzt als bislang angenommen. Zu dieser Schlussfolgerung kommen Forschende einer internationalen Zusammenarbeit unter Beteiligung von Geowissenschaftlern der Universitäten Heidelberg und Berlin. Ihr Befund beruht auf Analysen von Vesta-Meteoriten, numerischen Simulationen und Untersuchungen mit der Raumsonde „Dawn“ aus den Jahren 2011 und 2012. Er zeigt ein neues Bild von der Chronologie der Kollisionsgeschichte im frühen Sonnensystem, wovon auch unsere Erde betroffen war.

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, sodass 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 Meteorite auf die Erde transportiert wurde. Chemische Analysen dieser Meteorite haben gezeigt, dass auch nach der Bildung von Vestas Kern weitere kosmische Einschläge die Zusammensetzung von Vestas Kruste und Mantel verändert haben. Diese Materialzufuhr war in der Frühphase jedoch deutlich größer als danach, wie der Geowissenschaftler Prof. Dr. Harry Becker von der Freien Universität 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 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 man davon aus, dass die Hauptphase dieser Bombardierung erst viele hunderte Millionen Jahre später erfolgte, etwa gleichzeitig, während sich auf dem Mond einige der großen Einschlagskrater bildeten. Für den Erdmond und wohl auch für die anderen terrestrischen Planeten deutet sich jedoch an, dass die Hauptmasse dieser „späten Bombardierung“ ähnlich wie im Falle von Vesta eher früh zugeführt wurde.

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 und der FU Berlin.

Die Forschungsarbeiten an der Universität Heidelberg wurden von der Klaus Tschira Stiftung gefördert. Die Beiträge aus Berlin und Münster sind Teil des Sonderforschungsbereichs-Transregio TRR 170 „Late Accretion onto Terrestrial Planets“ der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. An der internationalen Studie beteiligt waren außerdem Forschende 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, dem 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.

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

Bilderläuterung zum Konvektionsmodell

Visualisierung konvektiver Umwälzungen, die im Inneren von Vesta in der frühen Evolutionsphase des Asteroiden stattfanden. Die in der äußeren Hülle gezeigte dimensionslose Temperatur steigt mit der Tiefe an. In diesem sogenannten „stagnant lid“ ist das Gestein aufgrund der viel zu niedrigen Temperatur starr und unbeweglich. Unter dem stagnant lid findet konvektive Zirkulation statt. Die im Inneren gezeigte dimensionslose Konvektionsgeschwindigkeit visualisiert die sogenannten „Plumes“, d.h. aufsteigende Ströme des wärmeren und weniger dichteren Materials bzw. absteigende Ströme des kälteren und dichteren Materials.