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ASTROGEOLOGIE: STREIT UM DIE FRÜHE ERDE


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 8/2018 vom 21.07.2018

Wann entstand das jetzige Leben auf der Erde? Nicht vor dem »Großen Bombardement«, einem heftigen Asteroidensturm vor knapp vier Milliarden Jahren – so das Lehrbuchwissen. Doch es mehren sich Zweifel.


►Etwa eine halbe Milliarde Jahre nach der Entstehung der Erde brach in unserem Sonnensystem die Hölle los. Ein Hagel an Asteroiden, manche davon so groß wie ganze Städte, traf unseren Planeten mit einer Wucht, die große Teile der Erdkruste zum Schmelzen brachte. Das Inferno ließ vor vier Milliarden Jahren fast alles Wasser verdampfen und sterilisierte die Oberfläche des Planeten – sollte es zu jener Zeit ...

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... bereits Leben gegeben haben, wurde es nun ausgelöscht. Erst als die Einschläge aus dem All abebbten, konnten einzellige Organismen dauerhaft Fuß fassen und zum Ursprung aller späteren Lebensformen auf der Erde werden.

Dieses höllische Szenario, bekannt als »Großes Bombardement «, ist fester Bestandteil der frühen Geschichte der Erde, seit Geologen das Mondgestein untersuchten, das die Astronauten der US-amerikanischen Apollo-Missi-onen mit zur Erde brachten. Doch jetzt gerät diese gängige Hypothese durch neue Erkenntnisse ins Wanken, und immer mehr Wissenschaftler rücken von dem Szenario ab. Viele gehen inzwischen davon aus, dass sich die Lage auf dem noch jungen Planeten relativ schnell beruhigte: Der Asteroidenhagel wurde demnach stetig schwächer, bis er wenige hundert Millionen Jahre nach der Entstehung von Erde und Mond stoppte.

Lange Zeit glaubten Forscher, die Oberfläche unseres Planeten wäre rund 600 Millionen Jahre nach seiner Entstehung auf Grund des »Großen Bombardements « die »Hölle auf Erden« gewesen. Inzwischen zeichnen viele ein weniger lebensfeindliches Bild von der Jugend der Erde.


NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER CONCEPTUAL IMAGE LAB / BENNU’S JOURNEY - EARLY EARTH (WWW.FLICKR.COM/PHOTOS/GSFC/15635699388/) / CC BY 2.0 (CREATIVECOMMONS.ORG/LICENSES/BY/2.0/LEGALCODE)

Adam Mann ist Wissenschaftsjournalist in Oakland, Kalifornien.


►►spektrum.de/ artikel/1573454

LINDA KASIAN

Der Ausgang der Debatte über die Jugend der Erde betrifft einige der wichtigsten Fragen der Geowissenschaften: Wann entstand das Leben, und welche Bedingungen herrschten zu jener Zeit? Endgültige Antworten darauf lassen sich nach Ansicht einiger Forscher nur mit Hilfe weiterer Gesteinsproben finden. Sie hoffen, dass die USA, wie vor Kurzem angekündigt, wieder Astronauten zum Mond schickt – auch wenn es dafür noch keinen konkreten Zeitplan gibt. Bis dahin müssen sie sich mit der Aussicht anfreunden, dass ein vermeintlicher Schlüsselmoment in der Geschichte unseres Sonnensystems bedeutungslos werden könnte. »Das Große Bombardement galt als einer der großen Triumphe der Apollo-Ära«, sagt der Geochemiker Mark Harrison von der University of California in Los Angeles. »In den letzten Jahren jedoch wurde unser Bild von der frühen Erde über den Haufen geworfen.«

Unser Sonnensystem entstand vor 4,6 Milliarden Jahren, nachdem das Zentrum einer massereichen Wolke aus Gas und Staub zu einer dichten Kugel kollabierte und so die Sonne formte. Um diesen Stern kreisten in einem staubhaltigen Ring Gesteinstrümmer, die ständig kollidierten und bisweilen größere Aggregate bildeten. Über mehrere zehn Millionen Jahre erwuchsen daraus so genannte Planetesimale – die Vorläufer der heutigen Planeten. Daneben blieben kleinere Gesteinsbrocken zurück, die in ihre größeren Verwandten krachten und dort tiefe Krater zurückließen. Im Lauf der Zeit lichtete sich die Staub- und Trümmerwolke, und das uns bekannte Planetensystem wurde allmählich sichtbar.

Auf der Erde sind die meisten Beweise dieser stürmische Anfangszeit verschwunden, auf Grund tektonischer Prozesse, die hier ständig neue Kruste bilden und alte recyceln. Die vernarbte Oberfläche des Mondes hingegen, die seit mehr als drei Milliarden Jahren inaktiv ist, erzählt eine lange Geschichte von Einschlägen. Insgesamt 382 Kilogramm Gestein und Bodenproben, die davon zeugen, brachten die Astronauten der Apollo-Missionen zurück mit auf die Erde. Auf diese Proben stürzten sich Wissenschaftler, die sich Aufschlüsse über die Vergangenheit des Erdtrabanten erhofften. 1973, ein Jahr nach der letzten Landung eines Apollo-Raumschiffs, berichtete ein Forscherteam der Sheffield University in Großbritannien von einem merkwürdigen Muster in den Proben von vier verschiedenen Apollo- und einer sowjetischen Luna-Mission. Radiometrische Untersuchungen lieferten für alle dasselbe Alter: 3,95 Milliarden Jahre. Ein Team des California Institute of Technology in Pasadena bestätigte den Befund kurz darauf.

Die Altersübereinstimmung deutete darauf hin, dass in einem engen, nur 50 Millionen Jahre großen Zeitfenster ein Gesteinshagel auf den Mond traf und dabei unzählige Krater hinterließ – einige größer als Frankreich. Offenbar handelte es sich um eine letzte, infernalische Welle nach der Geburt des Sonnensystems. Daher tauften die Caltech-Forscher das Ereignis »lunare Katastrophe«. Später setzte sich die Bezeichnung Großes Bombardement durch.

Doch von Anfang an war dieses Szenario umstritten, vor allem wegen der nicht eindeutigen Datierung des Gesteins. Die Altersbestimmung basierte in erster Linie auf dem Verhältniss von Argon-40 und Kalium-40. Letzteres ist radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 1,25 Milliarden Jahren in stabiles Argon-40. Bei hohen Temperaturen kann Argon-40 aus Mineralien austreten. Das macht das Verhältnis der beiden Isotope zu einer Art Uhr: Je mehr Zeit vergangen ist, seit das Gestein heiß war, desto mehr Argon-40 sollte es enthalten. Allerdings ist die Interpretation der Argon- und Kaliumkonzentrationen schwierig, weil ein und dasselbe Isotopenverhältnis auf unterschiedliche Art und Weise zu Stande gekommen sein kann: durch ein kurzes und heftiges Trommelfeuer, welches das Gestein vor 3,95 Milliarden Jahren erhitzte und so Argon-40 freisetzte; oder durch einen lang andauernden, sich langsam abschwächenden Asteroidensturm, bei dem Argon-40 stoßweise aus dem Gestein austrat.

Mondgestein verrät Forschern so manches über die frühe Erdgeschichte. Diese Probe wurde 1971 im Rahmen der US-amerikanischen Apollo-14-Mission gesammelt.


NASA

Forscher aus Nizza entwickeln ein Modell, das den verzögerten Asteroidenbeschuss erklärt
Es dauerte bis zum Jahr 2000, ehe Forscher die ersten wirklichen neuen Erkenntnisse dazu veröffentlichten. Die Astrogeologen und -chemiker David Kring, Timothy Swindle und Barbara Cohen von der University of Arizona in Tucson, sammelten Mondmeteoriten – Gesteinsbrocken, die nach Asteroideneinschlägen auf dem Mond zur Erde gelangt waren. Die Wissenschaftler hofften, dass sie repräsentativer wären als die Proben der Apollo-Missionen, die kaum vier Prozent der Mondoberfläche abdeckten. »Wir hatten damit gerechnet, dass unsere Messungen die Gesteinsproben auf bis zu 4,4 Milliarden Jahre datieren würden – und damit ein für alle Mal zeigen würden, dass die Idee des Großen Bombardements falsch ist«, sagt Swindle. Stattdessen ergaben ihre Untersuchungen keine Hinweise auf Einschläge vor jener Zeit, in der das Große Bombardement stattgefunden haben soll. »Das drängte mich geradezu, die Seite zu wechseln«, so Swindle.

Damit war jedoch nicht geklärt, wie es so lange nach der Entstehung des Sonnensystems zur lunaren Katastrophe kommen konnte. Nach einer halben Milliarde Jahre hätte der größte Teil der übrig gebliebenen Kleinkörper entweder aus dem Sonnensystem herausgeschleudert oder in stabilen Zonen angekommen sein müssen, wie dem Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter oder dem Kuipergürtel jenseits von Neptun. Physikalisch war das Bombardement zu einem so späten Zeitpunkt nicht zu erklären. »Wo hätten die Gesteinskörper herkommen sollen, die 600 Millionen Jahre irgendwo im Sonnensystem lauerten, nur um urplötzlich auf den Mond einzuprasseln? «, fragt Cohen, die inzwischen am Goddard Space Flight Center der NASA arbeitet.

Eine mögliche Antwort auf diese Frage lieferte 2005 das nach seinem Ursprungsort benannte Nizza-Modell. Eigentlich sollte es die seltsamen Umlaufbahnen ferner Eiskörper im Kuipergürtel erklären. Man nahm an, dass sich die äußeren Planeten des Sonnensystems bei ihrer Entstehung deutlich näher waren als heute. Computersimulationen zeigten, dass die starken Anziehungskräfte von Jupiter und Saturn eine Instabilität erzeugten, die Uranus und Neptun auf einen weiter außen gelegenen Orbit beförderte – und zugleich Kometen und Asteroiden aus ihrer Umlaufbahn schleuderte. Das Nizza-Modell lieferte damit eine Erklärung für das Große Bombardement. »Das war der nächste große Wendepunkt«, so der Geologe Marc Norman von der Australian National University in Canberra.

Doch just, als die Idee des Großen Bombardements wiedergeboren zu sein schien, tauchten erste Löcher in der Geschichte auf. Die Daten der Apollo-Missionen und die Kraterzählungen (bei denen Forscher aus der Überlagerung von Kratern die Reihenfolge der Einschläge bestimmen) hatten zwar angedeutet, dass drei der größten Dellen auf der erdzugewandten Seite des Mondes – die Mare Imbrium, Nectaris und Serenitatis – alle um die 3,95 Milliarden Jahre alt sein könnten. Hoch aufgelöste Karten der Aufklärungssonde Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA, die den Mond seit 2009 umkreist, zeigten jedoch Schuttansammlungen, die strahlenförmig vom Mare Imbrium ausgehen. Beim Einschlag könnten Gesteinsbrocken in den benachbarten Serenitatis-Krater geschleudert worden sein und die dort von den Apollo-Astronauten gesammelten Proben kontaminiert haben. Tatsächlich kam 2010 bei einer neuerlichen Analyse von vermeintlichem Nectaris-Gestein heraus, dass es jenem aus Mare Imbrium chemisch wie geologisch sehr ähnelt. »Wir realisierten allmählich, dass es sich möglicherweise bei allen Proben um Material aus dem Imbrium-Krater handelte«, erzählt Zellner.

Die aus den Mondmeteoriten gewonnen Daten waren keine große Hilfe: Obwohl keine der Proben älter als vier Milliarden Jahre zu sein schien, waren einige deutlich jünger, bis zu mehreren Milliarden Jahren; und auch die für die Mehrzahl der Proben erwarteten 3,95 Milliarden Jahre konnten die Forscher nicht bestätigen. In den letzten Jahren lieferten genauere mikroskopische Untersuchungen des Mondgesteins jedoch ein Alter von bis zu 4,2 Milliarden Jahren. Es musste also bereits vor der Lunaren Katastrophe – sofern sie so überhaupt stattgefunden hatte – größere Einschläge gegeben haben.

Eine unzuverlässige Methode zur Altersbestimmung
Diese Ergebnisse trugen dazu bei, dass einige Forscher glaubten, man müsse die Phase des Großes Bombardements verlängern und den Startzeitpunkt vorverlegen. Allerdings gab es ein gewichtiges Argument gegen den Vorschlag: Einige der ältesten Kristalle auf der Erde (so genannte Zirkone), die aus den Jack Hills im Westen Australiens stammen, weisen darauf hin, dass die Erde vor 4,2 Milliarden Jahren bereits ein recht freundlicher Ort war, mit relativ niedrigen Temperaturen und reichlich flüssigem Wasser.

Andere Wissenschaftler überprüfen immer noch die Proben der Apollo-Missionen. Um das Alter zu bestimmen, erhitzten Forscher ursprünglich das Gestein und setzten so das darin eingeschlossene Argon frei. Doch schon 1991 wies Harrison darauf hin, dass sich diese Methode für Gesteine, die aus vielen verschiedenen Mineralen bestehen, nicht geeignet ist. Denn je nach Mineral entweicht das Argon bei einer anderen Temperatur. So kann sich bei 400 Grad Celsius ein Alter von zwei Milliarden Jahren ergeben, bei 500 Grad jedoch eins von 2,5 Milliarden. Man hat versucht, das Problem durch Extrapolation der Messwerte in den Griff zu bekommen. Harrison kritisiert, dass das komplexe Verhalten des Gesteins dazu führe, dass Forscher das Alter der Mondproben letztlich mehr oder weniger willkürlich festlegen.

Swindle hingegen hält die Kritik von Harrison für überzogen. Es gebe Gesteinsproben von den Apollo-Missionen, deren ermitteltes Alter nicht von der Temperatur abhänge. Und diese Werte scharen sich – ob sie nun von einem einzigen oder von mehreren Einschlägen stammen – noch immer um 3,95 Milliarden Jahre. Cohen ergänzt, dass Gesteinsdatierungen mittels radioaktiver Isotope (Rubidium und Uran) die Argonmessungen bestätigen würden. Harrison hält dem entgegen, dass die Altersangaben trotzdem um bis zu 600 Millionen Jahre voneinander abweichen können. Der Streit illustriert, wie schwer es ist, sehr altem Gestein Hinweise auf die astrogeologischen Prozesse vor mehreren Milliarden Jahren zu entlocken.

In der Zwischenzeit konnte auch das Nizza-Modell die Idee des Großen Bombardements nicht untermauern. Verfeinerte Computersimulationen der Wechselwirkungen der Gravitationskräfte im frühen Sonnensystem deuten an, dass sich die Planeten möglicherweise bereits kurz nach ihrer Entstehung neu positionierten und nicht erst nach einigen hundert Millionen Jahren. Bei einer verzögerten Neuordnung der Himmelskörper hätte sich das Sonnensystem stets am Rand der Instabilität befunden. David Nesvorný, Planetenforscher vom Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, vergleicht die Verzögerung mit dem Versuch, einen Bleistift auf seiner Spitze zu balancieren: »Es ist praktisch unmöglich, den Stift so auszutarieren, dass er nicht sofort umfällt sondern erst nach einer Stunde.«

Fossile Einzeller als Zeugen für die Entstehung des Lebens
Einer der Architekten des Nizza-Modells, der Astronom Alessandro Morbidelli vom Observatorium Côte d’Azur in Nizza, räumt ein, dass frühe Versionen des Modells einiges an Feinabstimmung erforderten, um die späte Neuorientierung der Planeten am Computer zu erzeugen. Er selbst glaubt inzwischen nicht mehr an das Große Bombardement und sieht auch viele andere Forscher von der Idee eines plötzlichen Asteroidensturms abrücken, zu Gunsten eines lang anhaltenden und langsam abklingenden Beschusses der Erde: »Ich gehe davon aus, dass die Idee vom Großen Bombardement beerdigt wird.«

Selbst jene, die daran festhalten, mussten ihr ursprünglichen Modelle modifizieren. William Bottke, ebenfalls Planetenforscher am Southwest Research Institute, bestätigt, dass nicht mehr viel für ein kurzes, heftiges Ereignis spricht. Seiner Ansicht nach weisen die Daten alter Erdgesteine und von Meteoriten eher auf einen stetigen Beschuss hin, der vor etwa 4 bis 4,1 Milliarden Jahren einsetzte. Davor habe es kaum Einschläge gegeben, was auch zu dem Vorhandensein von Wasser auf der Erdoberfläche in dieser frühen Phase passt.

Der Astronom William Hartmann, der zur Zeit als Gastwissenschaftler am International Space Science Institute in Bern tätig ist, sieht in der gegenwärtigen Diskussion den Beleg dafür, dass die Hypothese vom großen Bombardement nie wirklich strapazierfähig war. Verschiedene Forschergruppen hätten jeweils gedacht, andere hätten das Problem gelöst. So sei ein Paradigma auf Beweisen aufgebaut worden, die in sich selbst nie schlüssig waren.

Wenn das Große Bombardement nie stattgefunden hat, dann ist auch die Entstehung des Lebens leichter zu erklären. Forscher haben in 3,5 Milliarden Jahre altem Gestein fossile Mikroorganismen gefunden, die bereits relativ komplex erscheinen und sich vermutlich – von der ersten, primitiven Zelle ausgehend – im Lauf mehrerer hundert Millionen Jahre entwickelten. Demnach wären die ersten Organismen zu genau der Zeit entstanden, als ein vermeintlicher Asteroidenhagel die Erde getroffen haben soll – den die Einzeller aber wohl nicht überlebt hätten. Ohne das Große Bombardement ergibt ein derart früher Ursprung des Lebens mehr Sinn. Andererseits deutet einiges darauf hin, dass die ersten Mikroben hyperthermophil waren und extreme Hitze (über 80 Grad Celsius) bevorzugten. Asteroideneinschläge könnten in bestimmten Regionen der Erde optimale Bedingungen für die Entstehung solcher Organismen geschaffen haben.

Bemühungen, die Diskussion um das Große Bombardement mit Hilfe von Hinweisen anderer potenzieller Opfer des Asteroidensturms wie Merkur, Mars und Venus zu beenden, sind bislang gescheitert. Die Anhänger der verschiedenen Hypothesen werfen sich gegenseitig vor, Rosinenpickerei zu betreiben, sprich nur die Daten zu berücksichtigen, die den eigenen Standpunkt unterstützen, und dabei das Gesamtbild zu ignorieren.

Vieler Wissenschaftler glauben, dass nur weitere Gesteinsproben vom Mond die Debatte voranbringen können. Kring, der inzwischen am Lunar and Planetary Institute in Houston forscht, hat einige Konzeptstudien für das Einsammeln von extraterrestrischem Material und den Transport zur Erde erstellt. Darunter ist auch eine bemannte Mission zum Südpol-Aitken-Becken, dem größten und ältesten Mondkrater. Allerdings liegt die nächste bemannte Mission zum Erdtrabanten noch in weiter Ferne. Schon 2019 könnten dagegen im Rahmen der unbemannten chinesischen Chang’e-5-Mission Proben vom Mond zur Erde gelangen. Die Mondlandesonde soll zwei Kilogramm Boden- und Gesteinsproben in einer vulkanischen Bergregion namens Mons Rümker sammeln, die jünger ist als jene, die die Apollo-Astronauten besuchten.

Vermutlich wird keine einzelne Monderkundung den Streit um die wilde Jugend der Erde beenden. Doch mit dem heute besseren Verständnis des Erdtrabanten und der Altersbestimmung von Mondgestein, sollten die Forscher künftig gewonnenen Ergebnissen mehr Vertrauen schenken können.

QUELLEN

Cohen, B. A.et al.: Support for the Lunar Cataclysm Hypothesis from Lunar Meteorite Impact Melt Ages. In: Science 290, S. 1754– 1756, 2000

Gomes, R.et al.: Origin of the Cataclysmic Late Heavy Bombardment Period of the Terrestrial Planets. In: Nature 435, S. 466–469, 2005

Morbidelli, A.et al.: A Sawtooth-like Timeline for the First Billion Years of Lunar Bombardment. In: Earth and Planetary Science Letters 355–356, S. 144–151, 2012

Morbidelli, A.et al.: The Timeline of the Lunar Bombardment: Revisited. In: Icarus 305, S. 262.272, 2018

Watson, E. B., Harrison, T. M.: Zircon Thermometer Reveals Minimum Melting Conditions on Earliest Earth. In: Nature 308, S. 841– 844, 2005

nature

© Nature Publishing Group
www.nature.com
Nature 553 S. 393–395, 11. Januar 2018

SERIE: Die junge Erde

Teil 1: August 2018
Streit um die frühe Erde

Adam Mann

Teil 2: September 2018
Entstehung der Erdkruste und des Ur-Ozeans
Donald R. Prothero

Teil 3: Oktober 2018
Die Jagd nach den ältesten Fossilien
Rebecca Boyle

AUF EINEN BLICK: KOSMISCHER BOMBENHAGEL

1 Frühe Analysen von Mondgesteinsproben der Apollo-Missionen deuteten darauf hin, dass vor 3,95 Milliarden Jahren ein kurzer, aber äußerst heftiger Asteriodensturm die Erde traf.

2 Dieses »Große Bombardement« hätte bereits existierendes Lebens ausgelöscht, so die Theorie. Fossile Mikroorganismen legen jedoch nahe, dass ihre Ursprünge in die Zeit vor der Katastrophe zurückreichen.

3 Immer mehr Wissenschaftler vermuten daher, dass der Asteriodenhagel früher einsetzte und langsam abebbte. Weitere Mondproben könnten helfen, die Entwicklungsgeschichte der Erde aufzuklären.

Beprobung des Erdtrabanten

Altersbestimmungen von Gesteinsproben, die im Rahmen verschiedener Apollo-Missionen gesammelt wurden, deuteten auf eine Häufung von Asteroideneinschlägen auf Mond und Erde lange nach der Entstehung des Sonnensystems – das so genannte Große Bombardement. Doch inzwischen bezweifeln viele Wissenschaftler dieses Szenario. Ein möglicher Grund für das verblüffend ähnliche Alter der Gesteinsproben: Sie könnten alle aus demselben gigantischen Einschlagkrater herausgeschleudert worden sein, aus dem Mare Imbrium.

MOND: NASA; GRAFIK: NATURE; MANN, A.: CATACLYSM’S END. IN: NATURE 553, S. 393-395, 2018; DT. BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT