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ERDE
Als kleine Monde auf die Erde stürzten
Redaktion / idw / Pressemitteilung der TU Berlin
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7. August 2018

Unser Mond entstand, so die allgemein akzeptierte Theorie, durch den Einschlag eines etwa marsgroßen Protoplaneten auf der jungen Erde. Allerdings gibt es Hinweise dafür, dass dieser Einschlag nicht das einzige Ereignis dieser Art in der Frühphase der Erde war. So könnten mehrere kleine Monde entstanden sein, deren Schicksal Astronomen nun näher untersucht haben.

Mond - Erde

Mond und Erde aufgenommen von der NASA-Sonde Galileo. Bild: NASA / NSSDC [Großansicht]

Der Mond ist unter den Himmelskörpern der einzige natürliche Begleiter der Erde. Seine Entstehung wirft in der astrophysikalischen Forschung noch immer viele Fragen auf. Und möglicherweise war er einst nicht allein: Neueren Untersuchungen zufolge gab es in der Frühzeit der Erde eine Reihe von kleineren Monden, Moonlets genannt, deren Verschwinden ungeklärt ist. Gemeinsam mit seinen Kollegen Dr. Uri Malamud und Professor Hagai Perets vom Technion Israeli Intitute of Technology in Haifa sowie Christoph Burger von der Universität Wien geht Christoph Schäfer vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen der Frage nach, was aus den Moonlets wurde. Ihre aufwendigen Simulationen ergeben, dass sie auf die Erde gestürzt sein und bei der Kollision die Zusammensetzung ihres Mantels verändert haben könnten.

Der derzeit anerkannten Theorie zufolge entstand der Mond vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren bei der Kollision der Proto-Erde mit einem marsgroßen Protoplaneten, der Theia genannt wird. Hierbei formte sich zuerst eine Scheibe um die Erde aus dem bei der Kollision ausgeworfenen Material beider Körper. Aus dem Material dieser Scheibe entstand schließlich der Mond. Neue Untersuchungen zeigen jedoch, dass die Erde höchstwahrscheinlich zum einen nicht nur einer solchen großen, sondern mehreren Kollision ausgesetzt war und zum anderen auch häufig kleinere Einschläge auf der Proto-Erde geschahen. In der Folge entstanden mehrere Moonlets, die nach Annahme der Forscher jeweils etwa ein Sechstel bis zur Hälfte der Mondmasse gehabt haben könnten. Ihr Schicksal hat das Forscherteam genauer untersucht.

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"Es gibt zwei Möglichkeiten: Die Moonlets konnten sich unter anderem durch die gegenseitig wirkende Schwerkraft verbinden und größere Objekte bilden oder, so die andere Möglichkeit, durch die Erdanziehung wieder auf die Erde abregnen", erklärt Schäfer. "Uns interessierte vor allem diese zweite Möglichkeit." Um die Kollisionen der Moonlets mit der Erde zu simulieren, verwendeten die Wissenschaftler ein Computerprogramm, das in der Abteilung Computational Physics am Institut für Astronomie und Astrophysik in der Arbeitsgruppe von Professor Wilhelm Kley unter der Leitung von Schäfer entwickelt wurde. Die Rechnungen selbst wurden auf dem Tübinger BinAC-Computercluster und dem TAMNUN-Cluster in Israel durchgeführt.

Das Computerprogramm der Tübinger Physiker verwendet für die Rechnungen einen als "smooth particle hydrodynamics" genannten Ansatz und nutzt Grafikkarten, um die aufwendigen Rechnungen zu beschleunigen. Burger schrieb den Computercode für die komplizierten Anfangsbedingungen, die für die Simulationen benötigt wurden.

Für ihre Studie gingen die Wissenschaftler von einem vereinfachten Modell der Proto-Erde und dem einfallenden Moonlet aus, wonach beide einen Eisenkern und einen Mantel aus Silikat besaßen. Der Kern vereinte jeweils ein Drittel der Masse auf sich. Die Gruppe führte mehr als 70 Simulationen zu dem Einschlag eines Moonlets auf der Erde durch. Variiert wurden Parameter wie Kollisionswinkel, Größe des Moonlets und die Rotationsgeschwindigkeit der Erde.

"Insgesamt benötigten die Berechnungen über 100 Wochen Rechenzeit der Cluster-Grafikkarten", berichtet Malamud, der die Resultate der Simulationen analysierte: Er bestimmte, welche Fragmente der Körper nach der Kollision das System verlassen können, welche die Erde in einem gebundenen Orbit umkreisen und welche nach dem Einschlag auf der Erde verbleiben. Darüber hinaus berechnete er die Änderung der Rotationsperiode der Erde durch die Kollision.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass im Falle des Einschlags eines Moonlets auf der Erde die Verteilung des Einschlagsmaterials nicht homogen ist. Diese Art Kollisionen können daher zu Asymmetrien und Inhomogenitäten in der Materialzusammensetzung des Erdmantels führen", fasst Malamud die Erkenntnisse zusammen.

Über ihre Untersuchungen berichten die Astronomen in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen ist.

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Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Universität Tübingen
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