Randalierende Jungplaneten (und stille, nicht sehr tiefe Wasser): Die beliebtesten Paper im April

Schon wieder ist ein Monat vorüber, also Zeit für die monatliche Presseschau. Wie immer basierend auf den wissenschaftlichen Veröffentlichungen in der Planetologie, die auf dem Blog Cosmochemistry Papers über den Monat das meiste Interesse erzeugten. Und da Paper für Nicht-Universitätsangestellte ziemlich teuer sind, versuche ich (falls möglich) auf Vor-Versionen auf ArXiv oder ähnliche Tagungs-Abstracts zu linken, beide sind nämlich gratis.

Nummer eins wurde in Nature Geoscience veröffentlicht (hier ein verwandter Tagungs-Abstract), und hört auf den schönen Titel Impact vaporization of planetesimal cores in the late stages of planet formation und stammt von Richard G. Kraus (et al.), der sowohl in Havard wie auch am Lawrence Livermore National Laboratory arbeitet.

Wie der Titel schon sagt, es geht um das Verdampfen von ganzen Planetenkernen. Das Ganze ist im Zusammenhang mit der späten Wachstumsphase der Planeten zu sehen. Damit ein großer Planet zustande kommt, müssen kleinere Körper (Planetesimale) miteinander kollidieren. Bei solchen planetaren Auffahrunfällen bleibt dann, je nach Geschwindigkeit, Masse und Kollisionswinkel, ein Körper mit deutlich mehr Masse (plus Trümmer) übrig. Die Entstehung des Erdmondes fand in einem ähnlichen Ereignis in jener Epoche statt, nur dass halt aus den Trümmern sich noch ein Mond gebildet hat.

In dieser Richtung wurde und wird einiges modelliert. Um eben solche Modellrechnungen durchführen zu können, müssen die physikalischen Eigenschaften des betroffenen Materials möglichst genau bekannt sein. Bei Kollisionen ist gerade von Wichtigkeit, bei welchem Druck während des Impakt-Schocks Material verdampft. Daten für die Silikate vom Mantel und Kruste eines Planeten sind relativ leicht zu ermitteln. Metall ist da schon komplizierter, und Kraus und Kollegen berichten in dem Paper von ihren Experimenten in dieser Richtung.

Dazu verwendeten die Forscher die Z-Maschine am Sandia National Laboratory. Das ist in der Tat ein richtiges Monstrum, mit dem Aluminium-Projektile mit bis zu 19 km/s auf ein Eisen-Ziel geschossen wurden.

Ergebnis: der benötigte Druck ist deutlich niedriger als bisher erwartet – knappe 500 GPa anstatt der angenommen 890 GPa bisher (das ist höher als im Erdkern…)

Schlussfolgerungen: Ein Körper von der Masse des Mondes würde bei einer solchen Kollision leicht Metall verlieren, während die Erde das meiste davon zurückhalten würde. So lassen sich auch Unterschiede in der Zusammensetzung von planetaren Körpern erklären. Das verdampfte und kondensierte Metall wäre ein Weg, Material aus dem Kern wieder mit dem Mantelmaterial zu mischen.

 

Dazu passt dann doch irgendwie ein Bündel von gleich 3 Papern, die in Nature (Hauptblatt) veröffentlicht wurden:

Lunar tungsten isotopic evidence for the late veneer von meinen münsteraner Kollegen (aber andere Arbeitsgruppe) Thomas Kruijer et al. (ähnlicher Tagungs-Abstract hier), Tungsten isotopic evidence for disproportional late accretion to the Earth and Moon von Mathieu Touboul (Maryland/Lyon) et al. (auch hier ein ähnlicher Abstract), und A primordial origin for the compositional similarity between the Earth and the Moon von Alessandra Mastrobuono-Battisti (Haifa) et al. (hier das ganze Teil lobenswerterweise für lau auf arXiv).

Alessandra Mastrobuono-Battisti und ihre Mit-Autoren modellierten die chemischen Aspekte der Planetenbildung im inneren Sonnensystem. Denn Erde und Mond sind sich doch recht ähnlich in ihrer Gesamtzusammensetzung. Wie man es dreht und wendet, bei einer Mond-Enstehung durch eine Kollision der Ur-Erde mit einem anderen Planetesimal müsste der Mond ordentlich Material vom Impaktor abbekommen haben. Da aber die bekannten planetaren Materialien anderer Körper sich gerne deutlich von der Erde unterscheiden, stellt sich die Frage, wie so eine Ähnlichkeit zustande kommen konnte.

Also spielten die Autoren das innere Sonnensystem während des späten Planetenwachstums nach, in dem Planetesimale durch Kollisionen zu immer größeren Körpern wachsen. Dabei wurde besonders auf die Auswirkungen auf die Zusammensetzung geachtet. Ergebnis: die Zusammensetzung der Körper, die recht spät Kollidieren (wie wohl bei der Mondentstehung) ist recht ähnlich, da sie aus vergleichbaren ‚Feeding-Zones‘ stammen, also ihr Ausgangsmaterial in einem ähnlichen Bereich des Sonnensystems erhalten haben.

Aber selbst kleine Unterschiede zwischen Himmelskörper müssen erklärt werden (ist ja schließlich Grundlagenforschung). Das ist die Überleitung zu den anderen beiden Papern, dieses mal sogar in derselben Ausgabe von Nature.

Hier wurden (unter anderem) die Wolfram-Isotope von Mondproben untersucht, und zwar Apollo-Proben. Diese sind von irdischer Witterung nicht beeinträchtigt – Mondmeteorite hingegen lagen einige Zeit in der Gegend herum, bevor sie eingesammelt wurden.

Analytisch kommen beide Gruppen zu ähnlichen Ergebnissen: der lunare Mantel ist gegenüber dem Erdmantel an Wolfram182 um 20-30 ppm (Parts per Million) angereichert. Genauer handelt es sich um das Verhältnis der zweier Wolfram-Isotope, 182W/184W. Absolute Konzentrationen sind in der Geo- und Kosmochemie oft unhandlich, da verschiedene Minerale je nach Struktur unterschiedliche Mengen an Elementen und damit Isotopen einbauen. Deshalb werden die Verhältnisse von Isotopen zueinander verwendet, die von den absoluten Konzentrationen nicht beeinflusst sind und so handlicher für Vergleiche sind.

Der Unterschied mag sich jetzt nicht nach sonderlich viel anhören, und die moderne Geo-und Kosmochemie kann reproduzierbare Ergebnisse mit solch hoher Genauigkeit erst jetzt messen. Dazu werden erst die Elemente chemisch von den Gesteinsproben abgetrennt, um dann die Isotope per Massenspektrometer zu untersuchen. Die Abtrennung ist nicht ganz ohne, da kommen Säuren wie HF zum Einsatz. Das ist sehr fieses Zeug, die Forscher riskieren ihr Leben für die Wissenschaft (schon irgendwie).

Als wahrscheinlichste Erklärung für den Unterschied wird von beiden Gruppen der Late Veneer oder Accretion betrachtet. Nach dem großen Einschlag, in dem der Mond entstand, wurden die Isotopen-Verhältnisse wohl so durchmischt, dass sie fast identisch waren. Erst durch weiteres Material, das durch spätere Impakte auf dem Mond und der Erde einschlug, änderte sich das Verhältnis – die Erde bekam aufgrund ihrer höheren Masse mehr meteoritisches Material ab, als der kleinere Nachbar. Was dann die Verhältnisse der Isotope veränderte.

 

Nach all den gewalttätigen Nachwuchsplaneten kommt das fünfte Paper aus einer ganz anderen Ecke: Flüssiges Wasser, und zwar auf dem Mars. Und zwar nicht irgendwann in den letzten paar Milliarden Jahren, sondern in der Gegenwart. Francisco Javier Martín-Torres (und sehr viele Mit-Autoren) vom spanischen Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra beschäftigten sich in Transient liquid water and water activity at Gale crater on Mars (veröffentlicht in Nature Geoscience) zwar nicht mit dem Wasser direkt, sondern den Perchloraten. Diese wurden vom Rover Curiosity im Gale Krater gemessen. Zusammen mit weiteren Daten (Luftfeuchtigkeit, Temperatur) modellierten die Autoren die Stabilität von Wasser mit gelösten Perchloraten, und der Schmelzpunkt könnte genug herabgesetzt werden, um eine Sole (Brine), eine Brühe mit sehr hohem Salzgehalt im Marsboden zu erlauben. Aber nur während der Nacht, am Tag verdampft alles wieder. Allerdings sind die Bedingungen für Leben wohl doch nicht so geeignet.

Fazit: Das Imperium schlug zurück. 5 (!) Veröffentlichungen in Nature (davon aber zwei in Nature Geoscience, das nicht ganz den Impaktfaktor des Flaggschiffs hat). In letzter Zeit haben sich die Veröffentlichungen deutlich mehr verteilt. Folglich auch ein ordentliches Medieninteresse an den Papern. Thematisch ein klar dominierendes Thema, die Chemie und Isotopie heranwachsender Planeten. Plus Wasser auf dem Mars, der alte Klassiker halt.

Mein Interesse an Planetologie und Raumforschung begann schon recht früh. Entweder mit der Apollo/Sojus Mission 1975. Spätestens aber mit dem Start der Voyager-Sonden 1977, ich erinnere mich noch wie ich mir mein Leben in der fernen Zukunft des Jahres 1989 vorzustellen versuchte, wenn eine der Sonden an Neptun vorbeifliegen würde. Studiert habe ich dann Mineralogie in Tübingen (gibt es nicht mehr als eigenständiges Studienfach). Anstatt meinen Kommilitonen in die gängigen Richtungen wie Keramikforschung zu folgen, nahm ich meinen Mut zusammen und organisierte eine Diplomarbeit über Isotopenanalysen von Impaktgestein aus dem Nördlinger Ries Einschlagkrater. Dem folgte dann eine Doktorarbeit über primitive Meteorite in Münster. Nach 10 Jahren als PostDoc in verschiedenen Ecken der Welt arbeite wieder am Institut für Planetologie in Münster, an Labormessungen für die ESA/JAXA Raumsonde BepiColombo, die demnächst zum Merkur aufbrechen wird. Mein ganzes Arbeitsleben drehte sich bisher um die Untersuchung extraterrestrischer (und damit verwandter) Materialien: Gesteine aus Impaktkratern, die ganze Bandbreite Meteoriten (von den ganz primitiven Chondriten bis hin zu Marsmeteoriten). Zu meiner Forschung gehören auch Laborexperimente, in denen Vorgänge im frühen Sonnensystem nachgestellt wurden. Mein besonderes Interesse ist, die Laboruntersuchungen von extraterrestrischem Material mit Fernerkundungsdaten (im Infrarot) zu verknüpfen. Das vor allem mit Daten aus der planetaren Fernerkundung durch Raumsonden, aber auch mit Beobachtungen junger Sonnensysteme durch Teleskope.

Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. 1000 km grosse Impaktkörper verdampften vollkommen, wenn sie auf die junge Erde trafen – und schafften des dennoch tief in den Erdmantel einzudringen und bis zum Kern vorzustossen. Wirklich erstaunlich. Die Erde wurde also gut durchmischt.

    Was den Mars betrifft: Enttäuscht bin ich etwas darüber, dass es vom angenommenen transienten Wasser, das in der Marsnacht entsteht, kein Foto gibt. Die Oberfläche des Marses müsste ja vorübergehend mindestens feucht aussehen. Wenn das tagsüber schon wieder weg ist, sollte ein Blitzlichtfoto diese Feuchte zeigen.

    • Das Erstaunliche ist aber auch, dass wohl auch die Kerne von ausgewachsenen terrestrischen Planeten verdampfen können. Interessanterweise kann je nach Ausgangslage auch fast das Gegenteil eintreffen – dass nicht mal der ganze Mantel verflüssigt wird (von derselben Arbeitsgruppe)
      Was das Wasser auf dem Mars betrifft: das Ganze scheint sich unter der Oberfläche abzuspielen – und da gibt es durchaus Anzeichen für mögliche Aktivität – Stichwort Recurring Slope Lineae. Das sind Strukturen, die sich Jahreszeitenabhängig auf dem heutigen Mars verändern, und möglicherweise eben mit solchem temporärem Wasser zu tun haben könnten.

  2. Pingback:Heavy Metal, Planetar: Mission zu (16) Psyche » Exo-Planetar » SciLogs - Wissenschaftsblogs

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