Die Erde entstand aus lokalen Bausteinen

Planetenforschende streiten sich schon lange dar¨¹ber: Woher stammt das Baumaterial, aus dem sich unsere Erde gebildet hat? Trotz ihrer Lage im inneren Sonnensystem halten sie es f¨¹r wahrscheinlich, dass dieses Material zu 6 bis 40 Prozent aus dem ?usseren Sonnensystem ¨C also jenseits von Jupiter ¨C kommen muss.

Lange Zeit galt Material aus dem ?usseren Sonnensystem als notwendig, um fl¨¹chtige Komponenten wie Wasser zur Erde zu bringen. Demnach musste es w?hrend der Entstehung der Erde auch einen Materialaustausch zwischen dem ?usseren und inneren Sonnensystem gegeben haben. Aber stimmt das wirklich? 

?Wir waren wirklich erstaunt? 

Die Planetenforscher Paolo Sossi, Professor f¨¹r experimentelle Planetologie, und Dan Bower von der ETH Z¨¹rich haben bestehende Daten ¨¹ber die Isotopen-Verh?ltnisse von verschiedenen Meteoriten, darunter solche vom Mars und vom Asteroiden Vesta, mit denjenigen der Erde verglichen. Isotopen sind Geschwister-Atome desselben Elements; sie haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine andere Masse durch unterschiedlich viele Neutronen.

Diese Daten haben die Forscher neu und anders ausgewertet ¨C und kommen zu einem ¨¹berraschenden Ergebnis: Das Material, aus dem die Erde gemacht ist, stammt vollst?ndig aus dem inneren Bereich des Sonnensystems.  

Material aus dem ?usseren Sonnensystem machte dagegen beim Aufbau der Erde weniger als zwei Prozent aus ¨C oder lag sogar bei null. Die entsprechende Studie wurde soeben im Fachjournal externe Seite Nature Astronomy publiziert. 

?Unsere Berechnungen machen es deutlich: Das Baumaterial der Erde stammt aus einem einheitlichen Materialreservoir?, sagt Sossi. Und Kollege Bower erg?nzt: ?Wirklich erstaunt waren wir, dass die Erde vollst?ndig aus Material aus dem inneren Sonnensystem zusammengesetzt ist und sich von allen Kombinationen bekannter Meteoriten klar unterscheidet.?

Ein datenwissenschaftliches Experiment 

F¨¹r ihre Studie haben die beiden ETH-Forscher bestehende Daten ¨¹ber zehn verschiedene Isotopensysteme aus Meteoriten genutzt und mit einem speziellen statistischen Verfahren kombiniert ausgewertet. In bisherigen Studien wurden meist nur zwei Isotopensysteme ber¨¹cksichtigt.  

?Unsere Studie ist eigentlich ein datenwissenschaftliches Experiment?, sagt Sossi. ?Wir haben statistische Berechnungen vorgenommen, die in der Geochemie kaum je verwendet werden, obwohl sie ein m?chtiges Instrument sind?.  

Isotopen-Signatur verr?t Herkunft 

Isotopen in Meteoriten dienen Forschenden schon l?nger dazu, die Herkunft von Himmelsk?rpern zu kl?ren, also aus welchem Bereich des Sonnensystems sie stammen. Lange beschr?nkte sich die Herkunftsbestimmung aber auf verschiedene Isotope des Elements Sauerstoff. 

Erst Anfang der 2010-er Jahre entdeckte ein amerikanischer Forscher, dass auch Isotopen andere Elemente, wie etwa Chrom und Titan, daf¨¹r genutzt werden k?nnen. Damit gelang es der Forschung, Meteoriten in zwei Klassen einzuteilen: in nicht-kohlige, die ausschliesslich im inneren Sonnensystem gebildet werden, und kohlige, die mehr Wasser und Kohlenstoff enthalten und im ?usseren Sonnensystem entstehen. 

Die neue Analyse belegt, dass die Erde vollst?ndig aus nicht-kohligem Material zusammengesetzt ist. Der bisher vermutete Austausch zwischen den beiden Materialreservoiren ist nicht nachweisbar.  

Die Erde wuchs also in einem relativ statischen System, indem sie sich w?hrend ihres Wachstums ihre kleineren Nachbarplaneten einverleibte. Weiter bedeutet dies, dass auch im inneren Sonnensystem die meisten fl¨¹chtigen Elemente wie Wasser vorhanden waren. 

Jupiter als Materialschranke 

Doch warum gibt es in unserem Sonnensystem zwei unterschiedliche Materialreservoire? Forschende nehmen an, dass sich unser Sonnensystem w?hrend seiner Entstehung aufgrund von Jupiters schnellem Wachstum und seiner Gr?sse in zwei Reservoire aufteilte. Die Schwerkraft des Gasriesen riss eine L¨¹cke in die protoplanetare Scheibe, die um die junge Sonne kreiste. Protoplanetare Scheiben sind ringf?rmig, bestehen aus Gas und Staub und sind der Geburtsort von Planeten.

Jupiter verhinderte, dass Material aus dem ?usseren Sonnensystem ins Innere eindrang. Wie dicht diese Barriere tats?chlich war, blieb jedoch unklar ¨C bis jetzt. 

Mit ihrer Analyse zeigen die beiden ETH-Forscher, dass wohl fast kein Material von jenseits des Jupiters in Richtung Erde floss. ?Unsere Berechnungen sind sehr robust und st¨¹tzen sich nur auf die Daten selbst, nicht auf physikalische Annahmen, da diese noch nicht vollst?ndig verstanden sind?, betont Bower.  

Die Analyse zeigt weiter, dass die Erde von der Materialzusammensetzung her auf einer (verwandtschaftlichen) Linie mit Vesta und dem Mars steht. Auf der gleichen Linie vermuten die Forscher auch Venus und Merkurs. ?Und aufgrund unserer Analyse k?nnen wir theoretisch auch die Zusammensetzung dieser beiden Planeten vorhersagen?, sagt Paolo Sossi.

Analytisch ¨¹berpr¨¹fen kann er seine Aussage allerdings nicht: Von Merkur und Venus, die der Sonne am n?chsten sind und wie die Erde zum inneren Sonnensystem z?hlen, stehen den Forschenden bisher keine Gesteinsproben zur Verf¨¹gung.  

Neues Licht auf Entstehungsgeschichte 

?Unsere Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Entstehungsgeschichte unserer Erde und die anderen Gesteinsplaneten?, ist Paolo Sossi ¨¹berzeugt. 

In einem n?chsten Schritt m?chte er unter anderem wissen, warum im heissen inneren Sonnensystem so viel Wasser vorhanden war, um damit die Ozeane der Erde zu bilden. Weiter m?chten die ETH-Planetenforscher herausfinden, ob sich diese Prozesse auf Exoplaneten-Systeme ¨¹bertragen lassen.  

?Bis dahin werden Dan und ich noch viele hitzige Debatten ¨¹ber die Materialzusammensetzung der Erde und ihrer Nachbarplaneten f¨¹hren m¨¹ssen, denn die wissenschaftliche Auseinandersetzung ¨¹ber die Baustoffe, aus der die Erde besteht, ist trotz der neuen Ergebnisse noch lange nicht zu Ende?, sagt Sossi.