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Von Kollisionen zu Einschlägen – die späte Wachstumsgeschichte der terrestrischen Planeten

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collision event between two celestial bodies

Die Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems, insbesondere der erdähnlichen Planeten (Merkur, Venus, Mars und Erde) ist geprägt durch Kollisionen von annähernd planetengroßen Objekten, sogenannten Protoplaneten, und dem Beschuss durch kleinere Objekte, sogenannte Planetesimale oder Asteroiden. Als letztes großes Kollisionsereignis in der Frühgeschichte gilt der Zusammenstoß eines Mars-großen Protoplaneten mit der Proto-Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren, das vermutlich zur Entstehung des Mondes geführt hat. Die mit Krater übersäten Landschaften auf dem Mond zeugen von einem intensiven Bombardement der Planeten durch kosmische Körper, die im Laufe der Zeit abgenommen hat. Es wird angenommen, dass die Intensität des Bombardements seit 3,8 Milliarden Jahren ungefähr konstant geblieben ist. Über die Zeitspanne dazwischen (4,5 – 3,8 Milliarden Jahre), die oft als „Späte Akkretionsphase“ bezeichnet wird, in der eine kleine aber vermutlich entscheidende Menge von Materie durch Einschläge den Planeten hinzugefügt wurde, ist relativ wenig bekannt. Dies gilt insbesondere für die Erde, da von dieser entscheidenden Evolutionsphase kaum noch Überreste in Form von Gesteinsproben erhalten sind. Um tiefere Einblicke in die späte Wachstumsgeschichte und Zusammensetzung von Erde, Mars, Venus, Merkur und Mond zu gewinnen, kooperieren Wissenschaftler:innen des Museums für Naturkunde Berlin mit anderen Expert:innen von Universitäten und Forschungseinrichtungen in Berlin und Münster. Der Sonderforschungsbereich Transregio TRR170 „Späte Akkretion auf den Terrestrischen Planeten“ wird seit Januar 2016 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Die multidisziplinäre Forschungsinitiative basiert auf Probenmaterialien vom Mond und Meteoriten, Fernerkundungsdaten von Weltraummissionen sowie numerischen Modellen von geodynamischen, atmosphärischen Vorgängen und Impaktprozessen. Letzteres wird von Wissenschaftler:innen des Museum für Naturkunde Berlin (MfN) behandelt. Die übergeordneten Ziele des Projekts sind:

  • Überprüfung verschiedener Annahmen bezüglich der Abnahme der Häufigkeit von Einschlägen mit der Zeit und deren Veränderung
  • Bestimmung der Zusammensetzung von spät akkretiertem Material und Vergleich mit der Zusammensetzung der Planeten
  • Bewertung der Konsequenzen der physikalischen und chemischen Entwicklungsgeschichte der frühen Erde und des Mondes, beginnend mit dem Kollisionsereignis, das zur Entstehung des Mondes geführt hat
  • Vergleich der physikalischen und chemischen Entwicklung der Erde und des Mondes mit der späten Akkretionsgeschichte auf Mars, Merkur und Asteroiden im Haupt-Asteroidengürtel

Das Projekt gliedert sich in drei Forschungsbereiche mit starker Beteiligung von MfN-Forscher:innen in den Bereichen A und C:

  • A - Timing
    Das Timing, insbesondere die Datierung von Kraterereignissen, ist wesentlich für das Verständnis der verschiedenen Prozesse, die zur Entstehung der Erde und der anderen terrestrischen Planeten beigetragen haben. Mit theoretischen und experimentellen Methoden, etwa Kratergrößen-Häufigkeitsverteilung auf der Oberfläche von Mond oder Mars, wollen die Wissenschaftler:innen die Chronologie der Entstehung der Kruste, der äußeren Hülle planetarer Körper, entschlüsseln. Die Forschenden des MfN konzentrieren sich auf die Entwicklung eines Modells zur Rekonstruktion des Bombardements der Mondoberfläche durch kosmische Körper und seiner Auswirkungen.
     
  • B - Chemische Zusammensetzung
    Ein weiteres Ziel ist die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Herkunft des durch Impakte spät akkretierten Materials. Die Untersuchungen liefern wichtige Grundlagen für die Beantwortung zentraler Fragen beispielsweise nach der Herkunft des Wassers. Die Forschung konzentriert sich unter anderem darauf zu verstehen, wie sich die Zusammensetzung des spät akkretierten Materials sich im Laufe der Zeit verändert hat und wie die Zusammensetzung der Planeten durch Einschläge beeinflusst wurde.
     
  • C - Geodynamische Implikationen
    Darüber hinaus werden die geodynamischen Implikationen der späten Akkretion durch numerische Modellierung der Impaktprozesse, der Impakt-induzierten Bildung, Abkühlung und Kristallisation von Magma-Ozeanen und der Wechselwirkung mit Proto-Atmosphären untersucht. Die MfN-Forscher:innen konzentrieren sich dabei auf den Verbleib des Materials der Einschlagkörper und inwieweit riesige Einschläge, wie das mondbildende Ereignis, weit verbreitetes Schmelzen der Kruste und des oberen Mantels auf der Erde verursacht haben könnten, was zu einem globalen oder partiellen Magmaozean geführt hätte.

Die Ergebnisse des Verbundforschungsprojekts werden wesentlich dazu beitragen, die frühe Entwicklung der erdähnlichen Planeten besser zu verstehen, die vermutlich entscheidend war für das Vorhandensein lebensfreundlicher Bedingungen auf der Erde.