Wie erhielt der Mond sein pockennarbiges Gesicht? Wie kam das Wasser auf die Erde war Leben auf der Erde erst vor 4 Milliarden Jahren erstmals möglich? Seit 45 Jahren hat man uns erzählt, dass vor 3,9 Milliarden Jahren, 500 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems, eine Kaskade von Asteroiden das innere Sonnensystem getroffen haben soll, welche die Oberfläche von Erde und Mond pulverisierte, das meiste heutige Wasser auf die Erde brachte und dem Mond sein heutiges Aussehen verpasste: das Große Bombardement (Late Heavy Bombardment, LHB). In den letzten Jahren hat sich unter den Fachleuten still und leise und ohne viel Aufhebens in den Medien die Erkenntnis durchgesetzt: Das LHB hat es so nie gegeben. Eine umfangreiche Arbeit von William K. Hartmann vom Planetary Science Institute in Tucson, Arizona, der seit den 1970ern selbst maßgeblich an den Theorien zur Entwicklung des Mondes mitgearbeitet hat, zeichnet den Werde- und Niedergang der LHB-Theorie anhand zahlreicher zeitgenössischer Arbeiten nach – und konfrontiert sie mit dem aktuellen Wissensstand.
Mit Abstand betrachtet
Die Geschichte der Mondgeologie fängt nicht erst mit Apollo an – schon lange bevor es die ersten Mondgesteine in irdische Labore schafften, hat man den Mond mit Teleskopen und Fotografie untersucht. Die uns vertraute Vorderseite des Mondes zeigt ausgeprägte, dunkle Flächen, die Maria (lateinischer Plural von mare – das Meer; Betonung auf der ersten, lang gesprochenen Silbe), wie die bekannten Mare Imbrium (Regenmeer), Mare Tranquilitatis (Meer der Stille) oder Oceanus Procellarum (Ozean der Stürme). Bei diesen handelt es sich um mit Lava angefüllte Becken riesiger Einschläge, die von Asteroiden der 100-km-Klasse verursacht worden sein müssen. In diesen finden sich kaum Krater. Im Gegensatz dazu stehen die vollkommen verkraterten Hochländer.
Anhand der heutigen Anzahl von Asteroiden verschiedener Größen im Sonnensystem und der daraus gefolgerten Einschlagsrate schätzte man vor Apollo, dass die Maria rund 3,6-3,8 Milliarden Jahre (Gigajahre, Ga) alt sein dürften und damit 700-800 Millionen Jahre jünger als der Mond selbst. Da die Kraterhäufigkeit in den Hochländern etwa 32-mal höher als in den Maria ist, konnte man somit erschließen, dass die Einschlagsrate im ersten Fünftel des Mondalters im Schnitt 160-mal höher gewesen sein muss als in den 4 Fünfteln der Zeit nach Entstehung der Maria. Sie könnte bei einem allmählichen Abklingen ursprünglich aber auch noch sehr viel höher gewesen sein, zumal die Dichte in den Highlands gesättigt ist – neue Krater überdeckten hier ältere und erhöhten ihre Zahl somit nicht mehr weiter.
Kein Stein der Weisen
Mit Apollo hoffte man, die Entstehungsgeschichte des Mondes endgültig zu entschlüsseln. Der Chemiker und Planetologe Harold C. Urey rührte für das Apollo-Programm, bei dem er beratend beteiligt war, mächtig die Werbetrommel mit dem Spruch “Bringt mir einen Stein vom Mond und ich erzähle euch die Geschichte des Sonnensystems“. Ganz wörtlich gemeint war das sicher nicht, aber man ging davon aus, auf dem Mond ein Buffet von unmodifiziertem Gestein diversen Alters bis zurück zur Entstehung von Mond, Erde und dem Sonnensystem zu finden, an dem man sich nur selbst bedienen musste. Durch Analysen der Mengenverhältnisse verschiedener Isotope ließ sich das Gestein datieren und so hoffte man, die Geschichte des Mondes aus ihm ablesen zu können.
Midlife-Krise
Der Mond war nun definitiv älter als die Maria, was schon an der starken Verkraterung der Highlands zu erkennen war. Aber warum fand sich keinerlei deutlich älteres Gestein? Schließlich gab es auf dem Mond weder Plattentektonik, die auf der Erde das Gestein der Kontinente irgendwann in die Tiefe zieht, noch Wetter, also Erosion, die das Gestein verändern könnte.
Eine Möglichkeit war, dass der Imbrium-Einschlag mit seinem Auswurfmaterial alles überdeckt hatte – oder ein kataklysmisches Ereignis kurz zuvor: eine zeitlich kurze, enorm erhöhte Rate von Einschlägen, relativ spät nach der Entstehung des Sonnensystems: ein Spätes Großes Bombardement. Der Begriff, der zum ersten Mal in einer Arbeit von George Wetherill aus dem Jahre 1975 auftauchte, war geboren. Wobei “spät” hier im Maßstab zur Entstehungszeit des Sonnensystem zu verstehen ist, die nur ein paar zehn Millionen Jahre benötigte. Gemessen am heutigen Alter des Mondes waren 600 Millionen Jahre immer noch jung. Dieser “terminale Kataklysmus” habe die Entstehung des Mondes abgeschlossen, bei dem dann auch die riesigen Einschläge stattfanden, die die Maria formten. Denn auch andere Maria waren gemäß ihrer Gesteinsproben vergleichbar alt. Das Mare Orientale am westlichen Mondrand hätte beispielsweise im Rahmen der Messgenauigkeit gar mit dem Imbriumeinschlag zusammen entstanden sein können, wenn der Asteroid einen Begleiter gehabt hätte, der nur Stunden später einschlug.
Spätere Analysen der Apollo-Proben fanden dann einige wenige winzige Bruchstücke von Krustengestein, das 4,4-4,5 Milliarden Jahre alt war, eingeschlossen im als Brekzie bezeichneten Konglomerat aus zerkleinertem, durchmischtem und unter Druck zusammengekittetem Gestein, jedoch keinerlei Einschlagsschmelzen älter als 3,9 Ga.
1990 vertrat Graham Ryder in einer Arbeit folgende These, die prägend für die LHB-Theorie wurde: Da es kein Schmelzgestein jünger als 3,9 Milliarden Jahre gibt, kann es vorher auch keine nennenswerten Einschläge gegeben haben. Denn jüngere Einschläge können die Einschlagsschmelzen früherer Einschläge nicht komplett durch Aufschmelzen verjüngt haben – das meiste Auswurfmaterial ist kalt, und es findet sich noch ursprüngliches, unverändertes Gestein in kleiner Menge, das die Einschläge offenbar ohne aufgeschmolzen zu werden überlebt hat. Und wegen der chemischen Diversität des überall gleich alten Mondgesteins kann die Oberfläche des Mondes nicht nur durch eine handvoll Mare-formende Einschläge geprägt worden sein. Daher müsse der Mond über einen Zeitraum von nur 50 bis höchstens 150 Millionen Jahren einem intensiven Bombardement ausgesetzt gewesen sein. Das klassische Late Heavy Bombardement.
Terror aus dem Kuiper-Gürtel?
Alsbald machten sich die Theoretiker an die Arbeit zu erklären, wie es mehr als eine halbe Milliarde Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems zu einem erneuten Bombardement von Planetoiden gekommen sein könnte, wie man dieses eigentlich nur während der eigentlichen Entstehungsphase erwartet hätte.
Die ersten im Laufe der 1990er entdeckten Planeten in anderen Sternsystemen erwiesen sich völlig überraschend als “heiße Jupiter”- ein Auswahleffekt, denn massive, eng umlaufende Planeten wirbeln ihre Sterne am stärksten im Kreis, so dass ihr Spektrum am deutlichsten messbar hin- und her wackelt. Dennoch waren sie zunächst schwer zu erklären, denn große Planeten sollten dort entstehen, wo viel Materie in einem Sternsystem vorhanden ist, und das ist da, wo die mengenmäßig im Weltall überwiegenden Gase und Eise reichlich vorhanden sind – weit weg vom Stern in der “Schneezone”, wo sie gefroren vorliegen. So lernte man, dass Planeten in der Wechselwirkung mit dem Staub und den Asteroiden, aus denen sie entstehen, im Sternsystem nach innen wandern können.
Damit war die Theorie der planetaren Migration geboren. Im Sonnensystem stellte sich der Fall allerdings genau umgekehrt dar (Jupiter ist bekanntlich nicht heiß): der Neptun befindet sich bei 30 AE so weit draußen im Sonnensystem, dass er dort eigentlich nicht hätte entstehen können, weil sich dort zu wenig Asteroiden als Baumaterial mit zu großen Entfernungen untereinander befunden haben sollten. Nach dem Nizza-Modell soll Neptun jedoch näher an der Sonne, bei < 15 AE zwischen Uranus und Saturn entstanden sein. Eine 2:1-Bahnresonanz von Jupiter und Saturn sorgte dann über ein Aufschaukeln der Bahnen von Uranus und Neptun dafür, dass sie die Plätze tauschten, wobei Neptun weit nach außen in den Kuipergürtel geriet, den äußeren Asteroidengürtel des Sonnensystems. Diesen wirbelte Neptun mächtig durcheinander und er enthält zum Teil sehr große Objekte (mehrere 100 km Durchmesser). Damit hatte man eine potenzielle zeitlich verzögerte Quelle von Einschlagskörpern, und auch die von Jupiter eingefangenen Trojaner und seine äußeren Monde, die so dunkel sind wie Objekte des Kuiper-Gürtels, stützen die Theorie – wie auch ihr bloßes Vorhandensein, denn Einfänge sind selten und es braucht sehr viele Asteroiden, um die mehr als 70 eingefangenen kleineren Jupitermonde zu liefern (viele davon umkreisen ihn im Gegensinn zu seiner Rotation). Außerdem könnten diese Asteroiden das Wasser der Erde geliefert haben – die Erde war zu Beginn noch zu heiß, um Wasser halten zu können. Damit war auch erst danach die Entstehung von Leben möglich, das die Einschläge zuvor, die die ganze Erde aufschmolzen, ohnehin kaum hätte überleben können.
Man musste zwar die Startbedingungen für Nizza sehr speziell auswählen, um eine so lange Verzögerung hin zu bekommen – aber diese war mit dem LHB gesetzt.
Zunehmende Zweifel
In den 1990ern und 2000ern modellierten Neukum und Ivanov die Entwicklung der Einschlagsraten über die Zeit mit Hilfe neuartiger Analysemethoden. Demnach war die Einschlagsrate vor 4 Milliarden Jahren 1000mal höher als vor 2 Milliarden Jahren und heute ist sie noch 1 bis 0,3-mal so hoch wie vor 2 Ga. Wegen der Kratersättigung vor 4 Milliarden Jahren konnten die Analysen nicht klären, wie hoch die Einschlagsraten in den ersten 500 Millionen Jahren waren – jedenfalls müssen sie nach 4 Milliarden Jahren dramatisch steil gefallen sein, um die wenig verkraterten Maria zu erklären. Die Rate muss vorher so hoch gewesen sein, dass nur wenige ältere Gesteine überlebten und danach so gering, dass kaum jüngere erzeugt wurden – dies erschien nicht besonders plausibel.
Datierungen der Maria anhand der Krateranzahl ergaben, dass das Mare Serenitatis, in dem Apollo 17 landete, eigentlich 4,2 Milliarden Jahre alt sein müsste, während das von den Astronauten heim gebrachte Gestein sich wieder nur als 3,87 Milliarden Jahre alt erwies. Eine Hypothese lautete, dass der benachbarte Imbrium-Einschlag das Serenitatis-Becken verunreinigt haben könnte. Simulationen ergaben, dass die Auswurfschicht des Imbrium-Einschlags im Mare Serenitatis 25-100 m Dicke aufweisen könnte, und dass Material aus den übrigen Maria das Sediment gar bis auf 55-230 m angehäuft haben könnten.
Das Gestein hat dabei seine nach dem Auswurf grobschlächtige Struktur nicht lange beibehalten. Untersuchungen zufolge werden 99% der Steine von mehr als 2 m Größe binnen 120-300 Millionen Jahren durch fortwährende Einschläge kleiner Meteoriten zu Brocken von weniger als 2 m zerkleinert und Steine unterhalb von 20 cm binnen 50 Millionen Jahren zu Pulver gemahlen – dem Regolith, der den Mond bedeckt und in dem Armstrong seinen berühmten Stiefelabdruck hinterließ.
Auch andere Maria haben mehr Krater und scheinen damit älter als das Imbrium zu sein, obwohl das dort gesammelte Gestein stets ca. 3,9 Mia Jahre alt war. Man konnte das scheinbar jüngere Alter des Mare Serenitatis und anderer Fundstellen durch Verunreinigungen erklären – es fand sich dort an der Oberfläche kaum Material aus der Entstehungszeit, sondern dieses war unter einer Schicht von mittlerweile fein gemahlenem Material jüngeren Ursprungs begraben. Und bei einem Serenitatis-Alter von 4,2 Ga wäre das LHB schon auf die mindestens doppelte Länge angewachsen. Neuere Datierungen von Apollo-Gesteinen fanden gar Brekzien-Fragmente, die 4,2 bis 4,35 Ga alt sind.
Die Untersuchung des Alters von Meteoriten, die bestimmten Asteroiden als Quelle zugeordnet werden konnten, lieferten weitere Munition gegen die LHB-Theorie. Nach der Nizza-Theorie, aber auch anderen (“Grand Tack“) Modellen, bei denen die Migration von Jupiter und Saturn eine Rolle spielte, wäre der Asteroidenhauptgürtel zwischen Mars und Jupiter notwendigerweise heftig in Mitleidenschaft gezogen worden, denn die Asteroiden wären miteinander und mit den ins innere Sonnensystem katapultierten Kuipergürtel-Objekten kollidiert. Die ermittelten Kollisionsraten über die Zeit ergaben jedoch keinerlei Hinweis auf ein kataklysmisches Ereignis vor 3,9 Milliarden Jahren – weder auf eine geringere Kollisionsrate vorher, noch auf einen plötzlichen Anstieg derselben zu just dieser Zeit. Die meisten Kollisionen ereigneten sich vor 3,74-3,21 Ga, aber auch zahlreiche zwischen 4,5 und 4 Ga.Dynamische Computersimulationen der Planetenentstehung produzierten eine anfangs hohe und dann allmählich abklingende Einschlagsrate durch die in der protoplanetaren Scheibe entstandenen Asteroiden und Planetesimalen, deren Entwicklung gut mit Kraterzählungen des Mondes und der Asteroiden in Einklang zu bringen war.
2015 fanden zwei Konferenzen statt, bei denen sich die internationalen Koryphäen der Mondforschung trafen und austauschten. Unter ihnen wurde der Begriff “LHB” zwar noch verwendet, seine Semantik unterschied sich bei den verschiedenen Autoren jedoch bereits deutlich von Graham Ryders ursprünglichem Kataklysmus – das LHB wurde nun etwa zum “Ausklang der Einschlagsperiode”, die bereits mit der Entstehung des Sonnensystems begann. Der Autor der hier betrachteten Arbeit trug dort ebenfalls vor und erntete keinerlei Widerspruch, als er in seinen Vorträgen äußerte, die Ryder-Hypothese sei nun endgültig vom Tisch.Mehrere noch jüngere Paper (2016/17) gehen von einem Bombardement zwischen 4,2 und 3,4 Milliarden Jahren mit einer allmählichen Abnahme der Einschlagsraten bis vor 2,0-2,5 Milliarden Jahren aus. Die Rate kann aber durchaus sägezahnförmige Spitzen gehabt haben und damit episodisch angestiegen sein. Das Gestein von Apollo 17, das dem Serenitatis-Einschlag zugeordnet wurde, stammt ihnen gemäß wahrscheinlich vom Imbrium-Einschlag.
Der LHB-Begriff wird immer noch verwendet, hat aber mit dem ursprünglichen Terminus nichts mehr zu tun. Die Verfremdung des LHB-Begriffs erinnerte Hartmann an einen Scherz, in welchem ein Museum die Original-Axt ausgestellt haben will, mit der George Washington einer bekannten amerikanischen Legende gemäß den Kirschbaum seines Vaters gefällt haben soll. Nur sei der Griff der Axt schon viermal und die Klinge schon zweimal ersetzt worden.
Die Mega-Regolith-(R)Evolution
Die Grundregel von Graham Ryder war: keine nachweisbaren Einschlagsschmelzen – keine Einschläge. Diese Regel stand unter der Prämisse der Prä-Apollo-Ansicht, dass auf der Mondoberfläche Gestein unversehrt Milliarden Jahre überdauern und nur von gelegentlichen Einschlägen durch die Gegend geschoben werden würde. Und dass es somit einen Kataklysmus bräuchte, um das Alter des Gesteins auf 0 zurück zu setzen.
Hartmann, der Autor der hier betrachteten Arbeit, vertrat jedoch schon in den späten 1970ern die Auffassung, dass der Mondboden durch einschlagende Meteorite aller Größen einer fortwährenden Erosion und damit Evolution (Entwicklung) unterworfen sei, die vor allem in der ersten halben Milliarde Jahre bis in große Tiefen reichte. Auf diese Weise entstand eine Schicht aus Mega-Regolith.
Gewöhnlicher Regolith-Staub ist auf dem Mond nur 10-20 cm tief und entstand durch die permanente “Sandstrahlung” der Oberfläche mit Mikrometeoren, die fortwährend mit mehreren Kilometern pro Sekunde ungebremst auf den Mondboden prasseln und Gestein allmählich zerbröseln. Der Mega-Regolith hingegen besteht aus Schichten immer wieder neuen Auswurfmaterials von Einschlägen, in die große Meteoriten und Asteroiden immer wieder neue Krater reißen.
Wenn hinreichend viele Einschläge unterhalb einer gewissen Größe stattfinden, tritt Sättigung ein und der Boden wird komplett bis zur entsprechenden Tiefe der Krater umgegraben. Bei der heutigen Einschlagsrate würde es 4 Milliarden Jahre dauern, bis Einschläge von 2 km ihre Sättigungsgrenze erreichen (Bild unten links). Bei zu Beginn tausendfach höherer Einschlagsrate wurde die Sättigung im Kilometer-Krater-Bereich jedoch schon nach 100 Millionen Jahren erreicht und der Boden in den ersten 500 Millionen Jahren entsprechend tief mehrfach umgegraben.
Der so angehäufte Mega-Regolith könnte über Oberflächen von 4,25 Ga Alter 10 km dick sein, der über Schichten von 4,2 Ga 1 km, über 4,0-4,1 Ga alten Schichten 100 m und über 3,9 Ga 40-60 m. Vom ursrpünglichen Boden fänden sich nur noch mikrometergroße Staubkörner an der heutigen Oberfläche.Unter dem Druck der darüber liegenden Schichten wird das Material in zunehmender Tiefe zu Brekziengestein gepresst, das vergleichsweise leicht und porös ist. Seismologische Messungen mit den Apollo-Seismometern haben ergeben, dass wenigstens die obersten 3 Kilometer aus porösem Material geringer Dichte bestehen. Die GRAIL-Mission, die das Gravitationsfeld des Mondes vermaß, bestätigte die geringe Dichte (etwa 2550 kg/m³), die in der Kruste der stark verkraterten Hochländer stets weitaus kleiner als die von festem Gestein ist.
Der große Filter
Wenn ein großer Einschlag einen Krater reisst, dann schmilzt er den Boden auf und in der schüsselförmigen Vertiefung bildet sich ein Lavasee, der zu einer Basaltlinse erstarrt, die von oben später mit zurückfallendem Geröll überdeckt wird. Solche Lava wird durch Verlust flüchtiger Stoffe scheinbar verjüngt und anhand bestimmter Isotope kann man das Alter seit ihrem Erstarren bestimmen.
Unter den frühesten Einschlägen waren die härtesten, auch diejenigen, die die Maria formten. Durch fortwährende Einschläge wurden ihre Basaltlinsen jedoch zerkleinert und zu Staub zermahlen, und dies gerade bei Bruchstücken, die es bis zur Oberfläche geschafft haben, wo die kleinsten und häufigsten Einschläge mit ihrer Erosion noch wirksam sind. Alte Einschlagsschmelzen, z.B. das Urbecken des Imbrium-Einschlags, wurden so pulverisiert. Daher wird man dort kaum altes Gestein finden, bestenfalls in Form winziger Einschlüsse in jüngeren Brekzien. Die Maria sind auch nicht etwa mit Schmelzgestein ihrer Einschläge angefüllt – sie liefen später mit Lava aus dem damals noch flüssigen Mondinneren voll, was ihre an Kratern armen Oberflächen erklärt.
Die Einschlagsrate und damit die Erosion des Mega-Regoliths nahm von Beginn ab, bis sie unter die Sättigungsrate fiel, unterhalb derer das Gestein an zunehmend mehr Stellen während des restlichen Mondalters nicht mehr getroffen wurde und erhalten blieb. Das charakteristische Alter von 3,9 Milliarden Jahren ist dann einfach das Alter, ab welchem Gestein erstmals eine nennenswerte Chance bekam, bis heute zu überdauern.
Jüngere Einschläge konnten viel später feste Gesteinsbrocken aus geringer Tiefe nach oben befördern, während die Mondoberfläche ansonsten größtenteils von fein geriebenem Regolithstaub bedeckt ist. Die Evolution des Mega-Regoliths filtert somit, was an der Oberfläche gefunden werden kann. Wenn man altes Gestein sucht, dann sollte man es deshalb im Auswurfmaterial sehr junger, großer Einschläge wie Kopernikus (Kraterdurchmesser 93 km, Tiefe 3,8 km, Einschlag bis in 30 km Tiefe), Erathostenes (59 km Durchmesser, 3,6 km Tiefe) oder Aristillus (55 km, 3,6 km) suchen, die unversehrte Kruste an die Oberfläche befördert haben dürften. Die meisten Steine auf der Oberfläche sind jüngere Brekzien kleinerer Einschläge und keinesfalls eine zufällig durchmischte Zusammenstellung von Steinen verschiedenen Alters, wie man vor Apollo dachte.Somit bleibt nicht mehr viel übrig vom späten, kurzen, schweren Bombardement. Das tatsächliche Bombardement fand früher statt, es war weniger intensiv, bestand möglicherweise aus mehreren Episoden und dauerte viel länger als Ryder dachte. Damit entspannt sich auch die Situation für das Nizza-Modell, bei dem Uranus und Neptun ihre Plätze nun früher tauschen können. Wasser kann die Erde früher erreicht haben und mögliches frühes Leben auf der Erde wurde nicht notwendigerweise von einer kataklysmischen Einschlagswelle ausgelöscht. Es war viel mehr fortwährenden, nachlassenden Einschlagsepisoden ausgesetzt und seine Überlebenschancen in geschützten Nischen waren größer und wurden zunehmend besser, so dass es früher entstanden sein könnte.
Der Begriff “Großes Bombardement” wird noch eine Weile durch die Planetologie geistern, aber er meint schon lange nicht mehr das, was er ursprünglich bedeutete. Sein Werdegang zeigt, wie in der Wissenschaft neue Daten zur allmählichen Modifzierung von Theorien führen. Es muss nicht immer ein Paukenschlag wie bei Einsteins Relativitätstheorie sein – oft entwickelt sich das Wissen allmählich und zerbröselt alte Weisheiten, wie beim Mega-Regolith auf dem Mond.
Referenzen
[1] William K. Hartmann, “History of the Terminal Cataclysm Paradigm: Epistemology of a Planetary Bombardment That Never (?) Happened“, Geosciences 2019, 9(7), S. 285, 28. Juni 2019.
[2] Korey Haynes, “New date for ‘Late Heavy Bombardment’ may change life’s timeline on Earth“, Astronomy, 15. August 2019.
[3] Bill Gray, “Late Heavy Bombardment may not have happened“, Geological Society of Glasgow, 24. Dez. 2016.
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