Nach der Sonne ist der Mond der Erde das offensichtlichste Objekt an unserem Himmel – eine sich ständig verändernde, aber beruhigend dauerhafte Präsenz am Himmel. Doch die Ursprünge des Mondes waren bis vor kurzem ein Rätsel für Astronomen und möglicherweise immer noch nicht vollständig gelöst.
Viele alte Kulturen auf der ganzen Welt hatten ihre eigenen Legenden über den Ursprung des Mondes. Die meisten waren mit einem mythologischen Verständnis des Kosmos verbunden, das Sonne, Mond und Sterne als Avatare der Götter betrachtete.
Soweit wir wissen, behandelten die alten Griechen den Mond als erste als physisches Objekt im Weltraum, aber die Idee des Himmels als himmlisches Uhrwerk, das von göttlicher Macht in alle Ewigkeit aufrechterhalten wird, blieb bis ins späte Mittelalter weitgehend unangefochten.
Die erste detaillierte Theorie zur wissenschaftlichen Erklärung der Ursprünge der Erde und des Sonnensystems war die „Nebelhypothese“, die 1735 vom schwedischen Philosophen Immanuel Swedenborg vorgeschlagen und 1796 vom französischen Mathematiker Pierre-Simon Laplace entwickelt wurde. Interstellare Nebel – Gas- und Staubwolken zwischen den Sternen – kollabieren und verschmelzen zu den sie umgebenden Sternen und Planeten.
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Die Welten des Sonnensystems wuchsen daher schrittweise von unten nach oben, und Kollisionen zwischen ihnen setzten genug Wärme frei, um zu schmelzen und sie in Schichten unterschiedlicher Dichte zu trennen. Laplaces Theorie hat sich seitdem als im Wesentlichen richtig erwiesen, obwohl sie einen Großteil des 19. und frühen 20. Jahrhunderts in Ungnade gefallen war.
Für Laplace war die naheliegendste Erklärung für den Mond, dass er sich neben der Erde gebildet haben muss (ein Prozess, der als binäre Akkretion bekannt ist) und seit den frühesten Tagen der Geschichte unseres Planeten ein ständiger Begleiter war.
Aber selbst Laplace konnte sehen, dass die enorme Größe des Mondes ein Problem darstellte. Mit einem Durchmesser von mehr als einem Viertel des Erddurchmessers ist er im Vergleich zu seinem Planeten der mit Abstand größte Satellit im Sonnensystem. Dies schien zu verlangen, dass die Erdentstehung eine undurchführbar große Menge an überschüssigem Material zurückließ.
Ironischerweise fiel Laplaces Theorie vorübergehend in Ungnade – ersetzt durch eine Theorie der Kaltentstehung – bevor das Problem des Monddurchmessers sie unterminieren konnte. Dies ließ den Weg für andere Theorien offen. Die vielleicht vielversprechendste Alternative wurde 1879 vom Astronomen und Mathematiker George Darwin, dem Sohn des großen Naturforschers Charles, vorgeschlagen.
Darwins Theorie wurde von den damals jüngsten Entdeckungen der nach außen spiralförmigen Umlaufbahn des Mondes und der allmählichen Verlangsamung der Erdrotation inspiriert, die beide mit Gezeitenkräften zwischen den beiden verbunden sind. Er argumentierte, dass sich die junge, halb geschmolzene Erde so schnell gedreht haben könnte, dass die daraus resultierende Gezeitenwölbung um ihren Äquator instabil wurde und große Mengen an Material wegschleuderte, das dann zum Mond verschmolz.
Vier Jahre später fügte der Geologe Osmond Fisher der Theorie mit seiner Vermutung Farbe hinzu, dass das riesige Becken des Pazifischen Ozeans die Narbe sein könnte, die diese Trennung hinterlassen hat.
Viele bezweifelten, dass sich die Erdrotation im Laufe ihrer Geschichte so dramatisch verlangsamt haben könnte; andere wiesen darauf hin, dass das pazifische Becken trotz seiner Größe nur einen Bruchteil des Mondvolumens hat.
Aber der fatale Fehler in Darwins Theorie entstand aus einem verbesserten Verständnis der Fluiddynamik. 1930 zeigte der Geophysiker Harold Jeffreys, dass die enorme Wölbung, die sich um den Äquator der Erde gebildet hätte, auch als natürliche Bremse gewirkt hätte.
Dies hätte verhindert, dass unser Planet die extremen Rotationsgeschwindigkeiten erreicht, die erforderlich sind, um vom Mond zu schleudern. Varianten von Darwins Spaltungstheorie blieben bis in die 1960er Jahre vage Möglichkeiten, aber kurz nach dem Zweiten Weltkrieg wurden sie an drei Fronten mit Konkurrenz konfrontiert.
In den frühen 1950er Jahren belebten der Chemiker Harold Urey und der Astronom Horst Gerstenkorn die Einfangtheorie, die erstmals 1909 von Thomas Jefferson Jackson See vorgeschlagen wurde. In diesem Modell entwickelte sich der Mond an anderer Stelle im Sonnensystem, bevor er in eine enge Umlaufbahn um die Erde eingefangen wurde /P>
Einige Astronomen argumentierten, dass die relativen Geschwindigkeiten der beiden Körper während einer solchen Begegnung zu groß gewesen wären, als dass die Schwerkraft sie hätte überwinden können, aber eine Variante der Theorie deutete darauf hin, dass sich der Mond in einer Umlaufbahn entwickelt hat, die der der Erde sehr nahe kommt, und so der Fang war eine langsame, allmähliche Angelegenheit.
Ureys Theorie beeinflusste die NASA während der frühen Planung des Apollo-Programms, aber auch die konkurrierenden Ideen des Astronomen Gerard Kuiper. Kuiper belebte die Idee, dass sich der Mond neben der Erde gebildet hatte, und zeigte, wie viele der Probleme aufgrund der Größe des Mondes überwunden werden könnten.
Eine dritte Theorie blieb beim Zusammenstoß zwischen Urey und Kuiper fast unbemerkt. 1946 hatte der kanadische Geologe Reginald Aldworth Daly vorgeschlagen, Darwins Kernspaltungsidee abzuwandeln. Anstatt sich auf eine sich schnell drehende Erde zu verlassen, schlug er vor, dass ein großer Einschlag in die junge Erde von einem anderen planetengroßen Körper genug Energie hätte liefern können, um das Material auszustoßen, das den Mond bildete.
Aber trotz Dalys Ruf als Geologe wurden seine Gedanken über die Ursprünge des Mondes weitgehend ignoriert.
Nach Apollo
Als Apollo 11 1969 zum Mond startete, war die Beilegung des Streits zwischen den konkurrierenden Hypothesen von Co-Akkretion, Spaltung und Einfang zu einem der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele des Apollo-Programms geworden.
Die sechs bemannten Mondlandungen zielten absichtlich auf Gebiete des Mondes ab, deren geologische Geschichte wahrscheinlich sehr unterschiedlich war, und insgesamt wurden etwa 382 kg Mondgestein zur Analyse auf die Erde zurückgebracht.
Jede der großen Theorien hatte ihre eigenen Implikationen für die Zusammensetzung des Mondgesteins und des Mondes selbst. Wenn sich der Mond neben der Erde bildete oder die Spaltungshypothese richtig war, würden Zwillingskörper mit sehr ähnlichen Zusammensetzungen entstehen. Ein eingefangener Mond hingegen könnte in seiner Chemie und Mineralogie ganz anders sein.
Wenn sich der Mond gleichzeitig bildete oder eingefangen wurde, wäre es wahrscheinlich ein „differenzierter“ Satellit mit inneren Schichten und einem dichten Eisenkern. Aber wenn es von Darwins Spaltungsidee käme, wäre es vielleicht nicht so, da das Material zur Bildung des Mondes aus relativ leichten Mantelgesteinen stammen würde.
Als die Geologen sich an die Arbeit machten, stellten sie fest, dass die Zusammensetzung der Mondgesteinsproben eine faszinierende Mischung aus Vertrautem und Unbekanntem war. Es stellte sich heraus, dass Basaltgesteine aus dem Meer der Ruhe im Vergleich zu denen auf der Erde stark an flüchtigen Stoffen abgereichert waren, aber ansonsten mineralogisch sehr ähnlich waren.
Am überraschendsten war jedoch das weit verbreitete Vorkommen des magmatischen Gesteins Anorthosid und des glasähnlichen verglasten Olivins. Beides und der Mangel an flüchtigen Stoffen deuteten darauf hin, dass die Oberfläche des jungen Mondes heiß genug war, um einen Ozean aus flüssigem Magma zu entwickeln.
In den frühen 1970er Jahren kämpften Befürworter der drei wichtigsten konkurrierenden Theorien darum, die Apollo-Daten zu erklären, aber noch immer entsprach keine vollständig den neuen Beweisen. Glücklicherweise wartete eine übersehene Alternative in den Startlöchern – Dalys Giant-Impact-Hypothese. Dalys Idee rückte 1975 in einem Artikel von William K. Hartmann und Donald R. Davis vom Planetary Science Institute in Arizona wieder ins Rampenlicht.
Zu diesem Zeitpunkt war die Auferstehung von Laplaces Nebelhypothese in vollem Gange, vor allem dank der Arbeit des sowjetischen Astronomen Victor Safronov. Safronovs Variante der Laplace-Theorie umfasste eine Phase, in der das frühe Sonnensystem mit „planetesimalen“ Körpern übersät war, deren Größe Hunderte bis Tausende Kilometer im Durchmesser betrug.
Kollisionen zwischen diesen bildeten die Planeten, und Hartmann und Davis waren fasziniert von der Möglichkeit, dass Einschläge einiger der kleineren Planetesimale auf den jungen Mond die riesigen Einschlagsbecken auf seiner Oberfläche geschaffen haben könnten. In Unkenntnis von Dalys früherem Vorschlag kamen sie auch auf die Idee, dass ein größerer Planetesimal, der die Erde trifft, einen spaltungsähnlichen Prozess angetrieben haben könnte, der eine Mischung aus Steinen von der Erde und dem aufprallenden Körper in die Umlaufbahn schleudert.
Ein Jahr später schlugen Alastair GW Cameron und William R. Ward vom Harvard College Observatory einen Impaktor von der Größe des Mars vor, der die Erde in einem flachen Winkel traf. Dies würde sicherstellen, dass der Großteil des ausgestoßenen Materials aus dem Erdmantel stammt, was die geringe Dichte des Mondes im Vergleich zur Erde erklärt, und genug Wärme erzeugen, damit die meisten flüchtigen Stoffe in den Weltraum entweichen können.
Die Theorie von Hartmann und Davis passte perfekt zu Beweisen aus den Apollo-Missionen und gewann im Laufe des nächsten Jahrzehnts an wissenschaftlicher Dynamik. Gleichzeitig wurden die Theorien der „großen Drei“ zunehmend durch geologische Analysen und Computermodelle untergraben. Die komplexe Natur der Apollo-Ergebnisse ließ jedoch viel Raum für Diskussionen, und erst auf einer Konferenz 1984 in Kona, Hawaii, setzte sich die Idee wirklich durch.
Der Mond heute
Seit den späten 1980er Jahren mehren sich die Beweise dafür, dass der Mond aus Material entstanden ist, das bei einem riesigen Einschlag weggeschleudert wurde. Computermodelle haben es ermöglicht, die Masse des ankommenden Körpers, der jungen Erde und des ausgestoßenen Materials abzuschätzen, und im Jahr 2000 gab der Geochemiker Alex Halliday dem Impaktor sogar einen Namen – Theia, nach der Mutter der Mondgöttin Selene in der griechischen Mythologie – der scheint hängengeblieben zu sein.
Theia ist nur einer von mehreren großen hypothetischen Planetesimalen, die möglicherweise in seinen frühen Tagen das Sonnensystem durchstreift haben. Aus offensichtlichen Gründen übt es eine besondere Faszination auf Astronomen aus, und es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um seine potenziellen Eigenschaften zu untersuchen.
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Da Geologen jedoch immer mehr über die Zusammensetzung des Mondes erfahren, waren Astronomen beunruhigenderweise erneut gezwungen, die Hypothese zu revidieren, um die mineralischen Beweise zu erklären.
Es ist jetzt klar, dass der Mond nicht so trocken ist wie früher angenommen, und dass das in einigen seiner Mineralien eingeschlossene Wasser wahrscheinlich nicht von Kometen dort abgeladen wurde. Die Idee eines globalen Magmaozeans ist nicht länger haltbar und die Modelle müssen stattdessen zulassen, dass der Mond zusammenwächst, ohne vollständig durchzuschmelzen.
Die Isotopenverhältnisse bestimmter Mineralien sind denen auf der Erde beunruhigend ähnlich, ohne Anzeichen eines Beitrags der angeblich außerirdischen Theia.
Drei mögliche Änderungen an der Theorie sind aufgetaucht, um diese Probleme zu erklären. Einer davon ist, dass sich Theia im selben Teil des Sonnennebels wie die Erde selbst entwickelt hat und daher eine nahezu identische Chemie hatte. Es könnte sogar die Erde umkreist haben, bis es zu massiv und instabil wurde.
Eine zweite Idee ist, dass Theia viel größer war als bisher angenommen – vielleicht doppelt so massiv wie der Mars – und dass sein Einschlag die Chemie der Erde wesentlich verändert hat.
Das dritte ist, dass Theia eine streunende Eiszwergenwelt war, die viel weiter draußen im Sonnensystem lag.
Sein Aufprall lieferte große Energiemengen, um Gestein aus dem Erdmantel auszustoßen, aber sein eigenes flüchtiges Material verdampfte in den Weltraum und trug wenig zur letztendlichen Zusammensetzung des Mondes bei.
Trotz dieser Probleme ist klar, dass die Rieseneinschlagshypothese immer noch bei weitem die beste Erklärung für die Eigenschaften des Mondes liefert, wie wir ihn heute sehen. Es bedarf möglicherweise weiterer Änderungen, aber wir sind in unserem Verständnis unseres nächsten kosmischen Nachbarn sehr weit gekommen.