Planetenforscher zeigen, dass das Material, aus dem die Erde gemacht ist, ausschließlich aus dem Inneren unseres Sonnensystems stammt. Das wirft auch ein neues Licht auf die Entstehungsgeschichte unseres Planeten.
Schon lange streiten Planetenforscher darüber, woher das Baumaterial stammt, aus dem sich unsere Erde gebildet hat? Trotz ihrer Lage im inneren Sonnensystem halten sie es für wahrscheinlich, dass dieses Material zu 6 bis 40 Prozent aus dem äußeren Sonnensystem – also jenseits von Jupiter – kommen muss.
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Lange Zeit galt Material aus dem äußeren Sonnensystem als notwendig, um flüchtige Komponenten wie Wasser zur Erde zu bringen. Demnach musste es während der Entstehung der Erde auch einen Materialaustausch zwischen dem äußeren und inneren Sonnensystem gegeben haben. Aber stimmt das tatsächlich?
Die Planetenforscher Paolo Sossi, Professor für experimentelle Planetologie, und Dan Bower von der ETH Zürich haben bestehende Daten über die Isotopen-Verhältnisse von verschiedenen Meteoriten, darunter solche vom Mars und vom Asteroiden Vesta, mit denjenigen der Erde verglichen.
Isotopen sind Geschwister-Atome desselben Elements. Sie haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine andere Masse durch unterschiedlich viele Neutronen.
Diese Daten haben die Forscher neu und anders ausgewertet. Und sie kommen zu einem überraschenden Ergebnis: Das Material, aus dem die Erde gemacht ist, stammt vollständig aus dem inneren Bereich des Sonnensystems.
Material aus dem äußeren Sonnensystem machte dagegen beim Aufbau der Erde weniger als zwei Prozent aus oder lag sogar bei null. Die Studie ist im Fachjournal „Nature Astronomy“ publiziert worden.
„Unsere Berechnungen machen es deutlich: Das Baumaterial der Erde stammt aus einem einheitlichen Materialreservoir“, sagt Sossi. Bower ergänzt: „Wirklich erstaunt waren wir, dass die Erde vollständig aus Material aus dem inneren Sonnensystem zusammengesetzt ist und sich von allen Kombinationen bekannter Meteoriten klar unterscheidet.“
Für ihre Studie haben die ETH-Forscher bestehende Daten über zehn verschiedene Isotopensysteme aus Meteoriten genutzt und mit einem speziellen statistischen Verfahren kombiniert ausgewertet. In bisherigen Studien wurden meist nur zwei Isotopensysteme berücksichtigt.
„Unsere Studie ist eigentlich ein datenwissenschaftliches Experiment“, erläutert Sossi. „Wir haben statistische Berechnungen vorgenommen, die in der Geochemie kaum je verwendet werden, obwohl sie ein mächtiges Instrument sind.“
Isotopen in Meteoriten dienen Forschenden schon länger dazu, die Herkunft von Himmelskörpern zu klären, also aus welchem Bereich des Sonnensystems sie stammen. Lange beschränkte sich die Herkunftsbestimmung aber auf verschiedene Isotope des Elements Sauerstoff.
Erst Anfang der 2010-er Jahre entdeckte ein amerikanischer Forscher, dass auch Isotopen andere Elemente, wie etwa Chrom und Titan, dafür genutzt werden können. Damit gelang es der Forschung, Meteoriten in zwei Klassen einzuteilen: in nicht-kohlige, die ausschließlich im inneren Sonnensystem gebildet werden, und kohlige, die mehr Wasser und Kohlenstoff enthalten und im äußeren Sonnensystem entstehen.
Die neue Analyse belegt, dass die Erde vollständig aus nicht-kohligem Material zusammengesetzt ist. Der bisher vermutete Austausch zwischen den beiden Materialreservoiren ist nicht nachweisbar.
Die Erde wuchs also in einem relativ statischen System, indem sie sich während ihres Wachstums ihre kleineren Nachbarplaneten einverleibte. Weiter bedeutet dies, dass auch im inneren Sonnensystem die meisten flüchtigen Elemente wie Wasser stets vorhanden waren.
Doch warum gibt es in unserem Sonnensystem zwei unterschiedliche Materialreservoire? Forscher nehmen an, dass sich unser Sonnensystem während seiner Entstehung aufgrund von Jupiters schnellem Wachstum und seiner Größe in zwei Reservoire aufteilte.
Die Schwerkraft des Gasriesen riss eine Lücke in die protoplanetare Scheibe, die um die junge Sonne kreiste. Protoplanetare Scheiben sind ringförmig, bestehen aus Gas und Staub und sind der Geburtsort von Planeten. Jupiter verhinderte, dass Material aus dem äußeren Sonnensystem ins Innere eindrang. Wie undicht diese Barriere tatsächlich war, blieb jedoch unklar – bis jetzt.
Mit ihrer neuen Analyse zeigen die beiden ETH-Forscher, dass wohl fast kein Material von jenseits des Jupiters in Richtung Erde floss. „Unsere Berechnungen sind sehr robust und stützen sich nur auf die Daten selbst, nicht auf physikalische Annahmen, da diese noch nicht vollständig verstanden sind“, betont Bower.
Die Analyse zeigt weiter, dass die Erde von der Materialzusammensetzung her auf einer (verwandtschaftlichen) Linie mit Vesta und dem Mars steht. Auf der gleichen Linie vermuten die Forscher auch Venus und Merkurs.
„Aufgrund unserer Analyse können wir theoretisch auch die Zusammensetzung dieser beiden Planeten vorhersagen“, konstatiert Paolo Sossi. Analytisch überprüfen kann er seine Aussage allerdings nicht: Von Merkur und Venus, die der Sonne am nächsten sind und wie die Erde zum inneren Sonnensystem zählen, stehen den Forschenden bisher keine Gesteinsproben zur Verfügung.
Unsere Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Entstehungsgeschichte unserer Erde und die anderen Gesteinsplaneten“, resümiert Sossi.
In einem nächsten Schritt möchte er unter anderem wissen, warum im heißen inneren Sonnensystem so viel Wasser vorhanden war, um damit die Ozeane der Erde zu bilden. Weiter möchten die ETH-Planetenforscher wissen, ob sich diese Prozesse auf Exoplaneten-Systeme übertragen lassen.
