Die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass ein großer Einschlag vor 4,5 Milliarden Jahren mit dem Protoplaneten Theia das Erde-Mond-System bildete. Eine neue Studie der Universität von Nevada argumentiert, dass sich möglicherweise polare cislunare „Monde“ aus dem Chaos dieser Kollision in den frühen Tagen des Erde-Mond-Systems gebildet haben.
Obwohl veränderte Bedingungen im Erde-Mond-System dies nicht mehr zulassen, könnte die Entdeckung erhebliche Auswirkungen auf Astronomen haben, die Exoplaneten untersuchen, von denen einige sogar die frühen Bedingungen auf der Erde nachahmen könnten.
Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren, als die Erde erst etwa 100 Millionen Jahre alt war, stürzte ein marsgroßer Protoplanet namens Theia auf unseren Planeten und setzte Fracht frei, die schließlich zur Erdoberfläche zurückkehrte, den Mond bildete oder das neu entstandene System vollständig verließ . Erde-Mond.
Diese Katastrophe zusammenzufassen war nicht einfach, aber Hinweise auf mögliche Überreste von Theia im Erdmantel und die Analyse von Mondgestein bestätigten dies. Nun fügt eine neue Studie von Wissenschaftlern der University of Nevada diesem äußerst chaotischen Moment in der Erdgeschichte etwas Komplexität hinzu und legt nahe, dass das Erde-Mond-System für kurze Zeit viele Polarmonde, auch als zirkumbinäre Teilchen bekannt, beherbergte. Diese „Monde“ waren jedoch nur möglich, weil sich der Mond unmittelbar nach der Kollision des Planeten mit Theia so nahe an der Erde befand. Die Ergebnisse dieser Studie wurden auf den nicht peer-reviewten Preprint-Server arXiv hochgeladen.
„Zirkumbinäre Umlaufbahnen, die polar oder stark zur Erde-Mond-Umlaufbahn geneigt sind, unterliegen zwei konkurrierenden Effekten: der Präzession von Knoten um den Erde-Mond-Exzentrizitätsvektor und den durch die Sonne verursachten Kozai-Lidov-Exzentrizitäts- und Schrägheitsschwingungen“, heißt es in dem Artikel Staaten. „Obwohl wir herausgefunden haben, dass es keine stabilen polaren Umlaufbahnen um die Erde-Mond-Umlaufbahn mit der aktuellen Halbachse gibt, waren die polaren Umlaufbahnen unmittelbar nach der Entstehung des Mondes stabil, zu einer Zeit, als sich viel Trümmer um das System herum befand.“ ”
Knotenpräzession bedeutet, dass Teilchen in der Umlaufbahn um das Erde-Mond-System langsam um den Drehimpulsvektor „präzessieren“ (eine langsame, kontinuierliche Änderung der Umlaufparameter eines Körpers). Kozai-Lidov-Oszillationen hingegen sind größtenteils ein dynamisches Phänomen, an dem ein binäres System und Störungen beteiligt sind, die durch einen entfernten dritten Körper verursacht werden.
Nachdem die Berechnungen diese konkurrierenden Effekte berücksichtigt hatten, erwiesen sich die in der Polarregion rotierenden Teilchen als die stabilsten. Das liegt daran, dass der Mond bei seiner ersten Entstehung (von der einige Wissenschaftler glauben, dass sie nur ein paar Stunden gedauert hat) nur 5 Prozent weiter von der Erde entfernt war als heute, nämlich durchschnittlich etwa 238.900 Meilen. Im Laufe der Milliarden von Jahren begannen die Gezeitenkräfte jedoch, den Mond immer weiter in seine aktuelle Umlaufbahn zu drängen, wodurch diese stabilen Polarregionen schließlich vollständig ausgelöscht wurden. Möglicherweise wurde dieses polare Material auch durch die zunehmende Exzentrizität des Erde-Mond-Systems vorangetrieben.
„Polares zirkumbinäres Material könnte zur erhöhten Exzentrizität des Doppelsternsystems beitragen“, heißt es in dem Papier. „Wenn eine erhebliche Materialmasse in polaren oder librationalen Umlaufbahnen landen würde, könnte die Exzentrizität des Erde-Mond-Doppelsystems aufgrund seiner Wechselwirkung zunehmen.“
Während diese Polarmonde heute nur noch geringe Auswirkungen haben, hat die Bestätigung ihrer Existenz in den frühen Jahren der Erde tiefgreifende Auswirkungen auf die Erforschung von Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems. Das Forschungsteam erklärte, dass ein Planet-Mond-System mit einer stark exzentrischen Umlaufbahn wahrscheinlich einen dieser zirkumbinären polaren „Monde“ beherbergen würde, der wiederum eine retrograde Prozession, also eine Rückwärtsumlaufbahn, antreiben würde.
Einen solchen Mond unter den Milliarden Sternen in der Galaxie zu finden, ist, als würde man einen Blick auf die Entstehung unseres Heimatplaneten erhaschen.
2% der Erdmasse könnten Überreste der riesigen Kollision sein, die den Mond geformt hat. Vor 4,5 Milliarden Jahren erlebte die Erde ein katastrophales Rendezvous mit einem alten Planeten namens Theia. Beweise für den Einschlag sind immer noch tief in unserer Erdkruste vergraben.
Tief unter der Erdkruste, entlang der Mantel-Kern-Grenze, befinden sich dichte, klumpenartige geologische Anomalien, die als große Provinzen mit geringer Scherung bekannt sind.
Obwohl es viele Hypothesen zur Erklärung dieser Anomalien gibt, ist die Giant-Impact-Hypothese die beliebteste. Dieses Konzept geht davon aus, dass diese Klumpen tatsächlich Überreste der Kollision der Erde mit dem Protoplaneten Theia sind, die vor 4,46 Milliarden Jahren zur Entstehung des Mondes führte.
Die neue Studie liefert detaillierte Modellierungen, die zeigen, dass Teyan-Material entlang der Mantel-Kern-Grenze zwei Prozent der Erdmasse ausmachen könnte. Zwei neu entstandene Schwesterplaneten, die sich harmonisch auf derselben Sonnenumlaufbahn befinden, kollidieren plötzlich aufgrund von Gravitationsstörungen im frühen Sonnensystem. Aber aus dieser chaotischen Kollision entsteht eine endlose Verbindung, die 4,46 Milliarden Jahre andauert, und der einzige lebenserhaltende Planet (von dem wir wissen) ist die Erde.
In den letzten 50 Jahren hat sich dieser katastrophale Einschlag von einer von vielen Hypothesen zu einem führenden Kandidaten für die Erklärung der Entstehung des Erde-Mond-Systems entwickelt. Eine neue Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams besagt nun, dass Beweise für diese ursprüngliche Kollision immer noch im unteren Erdmantel zu finden sind.
Hongping Deng, ein Astrophysiker an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, verwendete eine neue Fluiddynamiktechnik namens Meshless Finite Mass (MFM), um diese antike Kollision zu simulieren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
„Frühere Studien haben die Struktur der Fragmentscheibe (dem Vorläufer des Mondes) überbewertet und die Auswirkungen des Rieseneinschlags auf die frühe Erde übersehen“, sagte Deng in einer Pressemitteilung. „Unsere Ergebnisse stellen die traditionelle Ansicht in Frage, dass ein riesiger Einschlag die frühe Erde homogenisiert hat. Stattdessen scheint der riesige Einschlag, der den Mond geformt hat, die Quelle der Heterogenität im frühen Erdmantel zu sein und markiert den Ausgangspunkt der geologischen Entwicklung der Erde über 4,5 Milliarden Jahre.“
Die beiden größten Beispiele dieser Heterogenität (die Proto-Erde hatte einen höheren Siliziumgehalt als Theia) finden sich in zwei großen Provinzen mit niedriger Schergeschwindigkeit (LLVPs), die tief unter Afrika und dem Pazifischen Ozean liegen. Diese riesigen, dichten Regionen entlang der Mantel-Kern-Grenze wurden durch seismische Messungen entdeckt und von Wissenschaftlern sogar detailliert kartiert. Einige Theorien gehen davon aus, dass diese Regionen alte tektonische Platten oder einen anomalen Magma-Ozean an der Basis des Erdmantels darstellen. Es zeichnet sich aber auch die Möglichkeit ab, dass es sich bei diesen Klumpen um Überreste des Protoplaneten Theia handelt.
Im Jahr 2021 stellte der Doktorand der University of Arizona, Qian Yuan, jetzt Postdoktorand in der Abteilung für Geophysik am Caltech, die Theorie auf, dass eisenreiches (und damit zunächst dichteres) Thayan-Material in den unteren Erdmantel wanderte und diese LLVPs nach langfristiger Erdmantelbildung bildete Konvektion.
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Dans neue Simulationen bestätigen, dass es auf der frühen Erde nach dem Einschlag zu einer Schichtung des Mantels kam, was bedeutet, dass der Mantel mit Material sowohl von Theia als auch von der Erde durchwirbelt war, während der Kern unverändert blieb. Simulationen zeigen auch, dass Theias Material, das zwei Prozent der Erdmasse ausmacht, schließlich in diese untere Mantelregion fiel.
„Durch die präzise Analyse eines größeren Spektrums an Gesteinsproben, kombiniert mit verbesserten Rieseneinschlagsmodellen und Modellen der Erdentwicklung, können wir auf die Materialzusammensetzung und die Umlaufdynamik der Urerde … und Theia schließen“, sagte Yuan in einer Pressemitteilung . „Dadurch können wir die gesamte Entstehungsgeschichte des inneren Sonnensystems eingrenzen.“
Die Erde ist ein einzigartiges Juwel im Sonnensystem und, soweit wir das beurteilen können, auch im bekannten Universum. Das Verständnis der frühen Tage (oder der ersten Millionen Jahre), in denen unser Planet entstand, kann wertvolle Informationen darüber liefern, was unsere Erde überhaupt so besonders macht.
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