MARS
Einschlag am Südpol auf dem jungen Mars?
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich
astronews.com
29. Januar 2015

Geophysiker haben jetzt ein neues Modell vorgestellt, das die auffälligen Unterschiede zwischen der Nord- und Südhalbkugel des Mars erklären soll. Danach schlug kurz nach Entstehung des Roten Planeten ein mondgroßes Objekt am Südpol ein. Stimmt diese Theorie, dürfte dies jedoch für die Möglichkeit von Leben auf dem Mars nichts Gutes bedeuten.

Die Höhenkarte des Mars zeigt die Unterschiede zwischen den beiden Hemisphären des Planeten deutlich. Blautöne stehen hier für tiefgelegene Regionen, rötliche Bereiche für Hochländer. Bild: NASA/JPL-Caltech [Großansicht]

Kein anderer Planet unseres Sonnensystems weist zwei so verschiedene Hälften auf wie der Mars. Vulkanarme flache Tiefländer prägen die Nordhemisphäre, ausgedehnte, von unzähligen Vulkanen durchsetzte Hochländer die Südhemisphäre. Über die Entstehung dieser sogenannten Mars-Dichotomie gibt es zwar Theorien und Vermutungen, aber kaum definitive Erklärungen. Nun liefern Geophysiker der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich um Giovanni Leone einen neuen Erklärungsansatz.

Mithilfe eines Computermodells sind die Wissenschaftler zur Einsicht gelangt, dass in der Frühgeschichte des Sonnensystems ein großer Himmelskörper in den Südpol des Mars eingeschlagen sein muss. Ihre Simulation zeigt, dass dieser Einschlag so viel Energie erzeugte, dass ein Magma-Ozean entstand, der die Ausdehnung der heutigen Südhemisphäre hatte. Die Masse des Einschlagkörpers musste mindestens ein Zehntel der Marsmasse betragen haben. Das flüssige Gestein erstarrte schließlich zum bergigen Hochland, aus dem die heutige Südhalbkugel des Mars besteht.

In ihrer Simulation gingen die Wissenschaftler davon aus, dass der Himmelskörper mehrheitlich aus Eisen bestand, einen Radius von mindestens 1.600 Kilometern hatte und mit fünf Kilometern pro Sekunde auf den Mars prallte. Zeitpunkt des Geschehens: Rund vier bis 15 Millionen Jahre nach der Entstehung des Roten Planeten. Die Marskruste muss damals nur sehr dünn gewesen sein, wie die harte karamellisierte Oberfläche einer Crème brûlée. Darunter verbarg sich wie beim beliebten Dessert ein flüssiges Inneres.

Der Einschlagkörper fügte dem Mars nicht nur mehr Masse, vor allem Eisen, hinzu. Er setzte auch starke vulkanische Aktivitäten in Gang, die gemäß der Simulation bis vor rund 3,5 Milliarden Jahren anhielten. Vor allem rund um den Äquator entstanden als Folge des Einschlags zahlreiche sogenannte Mantel-Plumes, die zum Südpol hin wanderten und sich dort vereinigten. Mantel-Plumes sind Magmasäulen, die flüssiges Material vom Mantel zur Oberfläche transportieren. Im Modell der Forscher kommt der Mars vor 3,5 Milliarden Jahren zur Ruhe. Danach gab es auf dem Roten Planeten weder Vulkanismus noch ein Magnetfeld - was mit Beobachtungen und Messungen übereinstimmt.

Frühere Theorien besagten das Gegenteil: Danach musste es einen gigantischen Einschlag oder mehrere kleinere Treffer auf der Nordhalbkugel des Planeten gegeben haben. Die wichtigste Theorie über die Entstehung der Mars-Dichotomie formulierten zwei amerikanische Forscher 1984 in einem Artikel der Fachzeitschrift Nature. Sie gingen davon aus, dass ein großer Himmelskörper am Nordpol auf den Mars prallte. 2008 griff ein anderes Team diese Ideen wieder auf und veröffentlichte diese erneut in Nature.

Leone war von dieser Theorie nicht überzeugt: "Unsere Szenarien stimmen besser mit einer Vielzahl von Beobachtungen des Mars überein, als die Theorie eines Einschlages in der Nordhemisphäre", betont er. Auf dem Mars sind die Vulkane sehr ungleich verteilt. Auf der Südhemisphäre sind sie häufig und weit verbreitet, auf der Nordhalbkugel jedoch selten und auf wenige, kleinere Gebiete beschränkt. "Unser Modell bildet die tatsächliche Verteilung des Vulkanismus beinahe deckungsgleich ab", betont Leone. Kein anderes Modell habe diese Verteilung bisher abbilden oder erklären können.

Ihre Simulation sei auch in der Lage, die unterschiedliche Topografie der beiden Hemisphären realitätsnah wiederzugeben, sagt Leone. So bilde das Modell - je nach gewählter Zusammensetzung des Einschlagkörpers - Ausdehnung und Form der Hemisphären nahezu perfekt ab. Voraussetzung dafür ist, dass der aufprallende Körper 80 Prozent Eisen enthält. Simulieren die Forscher den Aufprall mit einem Körper aus purem Silikatgestein, so entspricht das Bild der Dichotomie nicht der Realität.

Schließlich würde das Modell der ETH-Forscher auch den Zeitpunkt bestätigen, an dem das Magnetfeld des Mars ausgelöscht wurde. Der vom Modell berechnete Zeitpunkt entspricht den rund 4,1 Milliarden Jahren vor unserer Zeit, die andere Wissenschaftler bereits zuvor bestimmt hatten.

Das Modell zeige überdies auch den Grund für das Abschalten auf: der steile Abfall des Wärmeflusses aus dem Kern in den Mantel und die Kruste in den ersten 400 Millionen Jahren nach dem Einschlag. Nach einer Milliarde Jahren betrug der Wärmefluss noch ein Zehntel des Anfangswertes - zu wenig, um selbst den Vulkanismus aufrechtzuerhalten. Die Modellrechnungen würden zudem gut mit bisherigen Berechnungen und mineralogischen Untersuchungen übereinstimmen.

Der Vulkanismus auf dem Mars hing laut Leone mit dem Wärmefluss zusammen. Der Grad des Vulkanismus könne jedoch in der Simulation variiert werden und werde von der Stärke des Einschlags beeinflusst. Dieser wiederum hänge mit der Größe und der Zusammensetzung des Himmelskörpers zusammen. Je grösser dieser ist, desto stärker ist die vulkanische Aktivität. Nach einer Milliarde Jahren aber sind in dem Modell die Vulkanschlote erloschen - unabhängig von der Größe des Einschlages.

Stimmt das Modell, hätte dies für den Mars und die vermutete Lebensfreundlichkeit in der Urzeit deutliche Konsequenzen: Der Mars dürfte dann nämlich schon immer ein extrem lebensfeindlicher Planet gewesen sein. Dass auf ihm jemals Ozeane oder Wasserläufe vorkamen, hält Leone daher für fast unmöglich - im Widerspruch zu den Schlussfolgerungen anderer Wissenschaftler aus den Daten, die die Marsrover Opportunity und Curiosity vor Ort gesammelt haben.

Doch Leone ist überzeugt: "Bevor dieser Planet zum heutigen kalten und trockenen Ort wurde, war er von großer Hitze und von Vulkanismus geprägt, was allfälliges Wasser hätte verdunsten lassen und die Entstehung von Leben sehr unwahrscheinlich macht." Über ihr Modell berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Geophysical Research Letters erschienen ist.