Entstehung des Mondes

mini|Der Erdmond

Die Entstehung des Mondes der Erde wird seit Jahrhunderten diskutiert. Seit Mitte der 1980er Jahre hat sich die Ansicht durchgesetzt, dass der Mond nach einem exzentrischen Zusammenstoß der Proto-Erde mit einem etwa marsgroßen Körper, Theia genannt, entstanden ist.Bestätigt: Mond entstand durch Kollision. Auf: orf.at, 6. Juni 2014, abgerufen am 19. Dezember 2023. Nach dieser Kollisionstheorie ist ein großer Teil der abgeschlagenen Materie beider Körper in eine Umlaufbahn um die Erde gelangt und hat sich dort zum Mond geballt.

Man spricht auch von der „Entstehung des Erde-Mond-Systems“ als besonderem System, denn im ganzen Sonnensystem gibt es keinen weiteren Trabanten, der eine ähnliche Größe im Vergleich zu dem von ihm umkreisten Planeten aufweist (und der entsprechend auch einen dermaßen großen Bahndrehimpuls hat). Von den mehr als 400 anderen bekannten Monden des Sonnensystems, die Planeten umkreisen, sind vermutlich keine weiteren durch solche Kollisionen entstanden. Die meisten Monde sind ebenso wie die Planeten durch Akkretion direkt aus der protoplanetaren Scheibe entstanden, wobei manche nicht in der Nähe ihres Planeten entstanden sind und erst später von diesem „eingefangen“ wurden. Noch am ehesten mit dem Erde-Mond-System vergleichbar ist das des Zwergplaneten Pluto und seines Mondes Charon, für dessen Entstehung ebenso eine ähnliche Großkollision vermutet wird.

Entstehung des Sonnensystems Die Entstehung des Sonnensystems begann vor 4,568 Milliarden Jahren mit dem gravitativen Kollaps des Sonnennebels, aus dem die Sonne als massives Zentrum hervorging. Aus dem in einer protoplanetaren Scheibe verbleibenden Material (Gas und Staub) bildeten sich kleine Planetesimale, aus diesen wiederum über die Zwischenstufe der Protoplaneten die Planeten. Am Ende der Planetenentstehung stürzten die meisten verbliebenen Planetesimale entweder auf die Planeten oder wurden durch diese ins äußere Sonnensystem (Kuipergürtel und Oortsche Wolke) oder sogar aus dem Sonnensystem hinaus geschleudert.

Siehe auch: Entstehung der Erde

Theorien zur Entstehung des Mondes Soweit bekannt stammen die ersten Überlegungen über die Entstehung des Mondes, die man als Vorläufer der Einfangtheorie betrachten kann, von René Descartes. Sie wurden erst 1664, einige Zeit nach Descartes Tod, publiziert.

Seit dem 19. Jahrhundert sind zur Entstehung des Erde-Mond-Systems mehrere Theorien entwickelt worden. Dies sind im Wesentlichen: Die Abspaltungstheorie: Von einer heißen, (zäh)flüssigen und schnell rotierenden Proto-Erde schnürte sich ein „Tropfen“ ab und bildete den späteren Mond. Die Einfangtheorie: Erde und Mond entstanden unabhängig in verschiedenen Regionen des Sonnensystems; bei einer engen Begegnung fing die Erde den Mond durch ihre Gravitation ein. Die Schwesterplanet-Theorie: Erde und Mond entstanden gleichzeitig und nahe beisammen. Die Öpik-Theorie: Der Vorläufer des Mondes entstand aus der Materie, die von einer heißen Proto-Erde abdampfte. Die Viele-Monde-Theorie: Mehrere Monde wurden gleichzeitig eingefangen und kollidierten nach einiger Zeit. Aus den Bruchstücken bildete sich der heutige Mond. Die Kollisionstheorie: Die Proto-Erde kollidierte relativ sanft mit einem großen Körper und aus der weggeschleuderten Materie bildete sich der Mond. Die Synestia-Theorie: Die Proto-Erde wurde durch eine heftigere Kollision fast völlig verdampft; im Außenbereich der Synestia genannten Wolke kondensierte der Mond.

Ein gutes Modell muss nicht nur physikalisch möglich, sondern auch mit den Eigenschaften des Mondes und des ganzen Erde-Mond-Systems vereinbar sein: Die Dichte des Mondes ist mit 3,3 g/cm³ deutlich geringer als die der Erde mit 5,5 g/cm³. Er ist differenziert, aber ihm fehlt der entsprechende Eisenkern. Ihm fehlen oberflächliche Anzeichen einer Schrumpfung, während das Schwerefeld auf Inhomogenitäten in der Tiefe hinweist, was beides dafür spricht, dass er relativ kühl entstanden sein muss, ohne einen tiefen Magmaozean. Der Mond hat im Vergleich zur Erde ein leichtes Defizit an flüchtigen Elementen und daraus zusammengesetzter Stoffe, z. B. Natrium und Kalium. Die isotopische Zusammensetzung der Elemente ist im Erdmantel und an der Mondoberfläche nahezu identisch, im Vergleich mit der Streuung der Verhältnisse im Rest des Sonnensystems. Der Drehimpuls des Erde-Mond-Systems ist ungewöhnlich hoch. Die Neigung der Mondbahn gegen die Ekliptik ist mit rund 5° gering.

Abspaltungstheorie Die Abspaltungstheorie wurde von George Howard Darwin, dem Sohn von Charles Darwin, 1878 entwickelt.George Howard Darwin: On the Precession of a Viscous Spheroid. In: Nature. Band 18, 1878, S. 580–582, .George Howard Darwin: On the Precession of a Viscous Spheroid, and on the Remote History of the Earth. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Band 170, 1879, S. 447–538, . Demnach rotierte die Erde in ihrer Frühphase so stark, dass sich durch Instabilitäten ein Teil ablöste und den Mond bildete. Dazu vertrat 1882 der Geologe Osmond Fisher (1817–1914) die Ansicht, der Pazifische Ozean stelle die heute noch sichtbare Narbe dieser Abspaltung dar.Geologe Osmond Fisher: On the Physical Cause of the Ocean Basins. In: Nature. Band 25, 1882, S. 243–244, . Auch der Geologe Otto Ampferer zog 1925 eine Ablösung des Mondes von der Erde in Betracht, da sie eine Erklärung für einerseits die ungleiche Verteilung von kontinentaler und ozeanischer Erdkruste sowie auch für die Kontinentaldrift als laterale Massenausgleichsbewegung lieferte.Otto Ampferer: Über Kontinentverschiebungen. In: Naturwissenschaften. Band 13, Nr. 31, 1925, S. 669–675 (digizeitschriften.de), S. 672

Solch eine Herauslösung aus dem extremen Äquatorwulst erklärt recht gut die Größe des Mondes. Auch seine geringere mittlere Dichte ist damit vereinbar, denn sie entspricht der Dichte des Erdmantels. Angesichts der Gezeitenreibung muss die Erde früher auch schneller rotiert haben, es gibt aber keine sinnvolle Erklärung für die hohen Rotationsgeschwindigkeiten (Tageslänge von etwa 2,5 h), die für den heutigen Gesamtdrehimpuls des Erde-Mond-Systems nötig gewesen wären. Auch die Vorstellung, dass der Pazifik die Narbe dieser Abspaltung darstellt, ist durch die Plattentektonik widerlegt. Die Bahnebene des Mondes ist zudem viel zu stark gegen die Äquatorebene der Erde geneigt.

Einfangtheorie Die Einfangtheorie wurde 1909 von Thomas Jefferson Jackson See vorgeschlagen.Thomas Jefferson Jackson See: Origin of the lunar terrestrial system by capture, with further considerations on the theory of satellites and on the physical cause which has determined the directions of the rotations of the planets about their axes. In: Astronomische Nachrichten. Band 181, Nummer 23, 365–386, 1909, S. 365–386, . Sie besagt, dass sich der Mond als eigenständiges Planetesimal an einem anderen Ort im Sonnensystem gebildet hat und bei einer engen Begegnung mit der Erde eingefangen wurde.

Die Einfangtheorie kann den hohen Drehimpuls des Systems sowie den Unterschied der Dichte von Erde und Mond sehr elegant erklären. Sie erfordert jedoch eine sehr spezielle Einfangbahn, die einen großen Zufall bedeutet. Zudem müsste der Mond einen kurzen Eintritt in die Roche-Grenze überstanden haben, was bislang nicht erklärt werden kann. Auch macht diese Theorie keinerlei Aussage darüber, warum der Mond sowohl bei leichtflüchtigen Elementen als auch bei Eisen ein Defizit gegenüber der Erde hat. Bei der Ähnlichkeit der isotopischen Zusammensetzung scheitert die Theorie völlig.

Schwesterplanet-Theorie Schon Immanuel Kant hypothetisierte in seiner Kosmogonie von 1755, Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels, dem ersten naturwissenschaftlichen Erklärungsversuch des Ursprungs der Himmelskörper, dass sich Erde und Mond aus einer gemeinsamen Verdichtung des von ihm postulierten Urnebels direkt zu einem Doppelplaneten gebildet haben. Die Hauptmasse der lokalen Verdichtung ballte sich zur Erde und die verbliebene Staubhülle zum Mond. Quantitativ konkretisiert wurde die Schwesterplanet-Theorie 1944 von Carl Friedrich von Weizsäcker entwickelt,Carl Friedrich von Weizsäcker: Über die Entstehung des Planetensystems. In: Zeitschrift für Astrophysik. Band 22, 1944, S. 319–355. wesentliche Vorarbeiten zur Stabilität stammen von Édouard Albert Roche.Édouard Roche: Essai sur la constitution et l’origine du systeme solaire. In: Académie des sciences et lettres de Montpellier. Mémoires de la Section des sciences. Band 8, 1783, S. 235–324 (online).

Wenn sich Erde und Mond eng beieinander entwickelten, ist es absolut unverständlich, warum sich die Dichte beziehungsweise der Anteil von leichtflüchtigen Elementen sowie von Eisen bei Erde und Mond so stark unterscheiden. Für den hohen Anteil des Bahndrehimpulses des Mondes im Vergleich zum Drehimpuls der Erde selbst gibt es keine plausible Erklärung. Auch die fünf Grad große Neigung der Mondbahnebene gegen die Bahnebene der Erde wird damit nicht begreiflich.

Öpik-Theorie Ernst Öpik schlug 1955 eine Theorie vor, die man zwischen der Abspaltungs- und der Schwesterplanet-Theorie einordnen kann.Ernst Öpik: The Origin of the Moon. In: Irish Astronomical Journal. Band 3, Nummer 8, 1955, S. 245–248, (online). Die von einem Ringsystem aus eingefangenen Gesteinstrümmern umgebene Proto-Erde heizte sich im Laufe ihrer Entwicklung durch die permanenten Einschläge auf etwa 2000 °C auf und dampfte große Materiemengen wieder ab. Während der Sonnenwind die leichteren Elemente weggeblasen hat, kondensierten die schwereren und bildeten zusammen mit Teilen des Ringsystems den Proto-Mond. Diese Aufheizung erfolgte erst in einer späten Phase der Erdentstehung, sodass durch einen bereits ausgebildeten Erdkern der Anteil von Eisen in den Mantelschichten der Proto-Erde schon deutlich verringert war.

Diese Theorie ist sehr gut mit den beobachteten geochemischen Eigenschaften des Mondes vereinbar, die Impulsprobleme der Schwesterplaneten-Theorie bestehen jedoch unverändert.

Viele-Monde-Theorie Die im englischen Sprachraum als many-moons theory bekannte Theorie erlebte eine kurzzeitige Popularität, nachdem sie 1962 von Thomas Gold vorgeschlagen und in den darauffolgenden Jahren von Gordon J. F. MacDonald formalisiert worden war.Gordon J. F. MacDonald: Origin of the Moon: Dynamical Considerations. In: Annals of the New York Academy of Sciences. Band 118, 1965, S. 742–782, . Grundlegender Gedanke ist, dass es für die Erde einfacher ist, mehrere kleine als einen großen Himmelskörper einzufangen. Wenn nun sechs bis zehn kleine Monde von der Erde eingefangen werden und diese umkreisen, so wandern die Bahnen dieser Monde aufgrund der Gezeitenwirkung nach außen. Im Laufe von einer Milliarde Jahren stoßen die kleinen Monde dann zusammen, und aus den Bruchstücken entsteht der Erdmond.

Diese Theorie wurde durch die Gesteinsproben der Apollo-Missionen (isotopische Zusammensetzung) widerlegt. Auch ist nicht plausibel, warum die Vereinigung vieler Monde zu einem einzigen, ungewöhnlich großen nur bei der Erde abgelaufen sein soll, während der Mars weiterhin zwei separate kleinere Monde hat, und die inneren Planeten ansonsten überhaupt keine Monde besitzen. Der lange Zeitraum, der für einen auf der Gezeitenkraft basierenden Vereinigungsprozess anzusetzen wäre, ließe erwarten, dass die inneren Planeten immer noch von einer Fülle kleiner Monde umkreist werden, bei denen die Vereinigung (noch) nicht stattgefunden hat.

Kollisionstheorie mini|Illustration der Entstehung des Mondes (graublau) durch eine Kollision zwischen der Erde (blau) und Theia (schwarz). Nach Entstehung als L4-Trojaner und einer Bahnstörung gelangt Theia auf einem Hufeisenorbit um die Sonne (gelb) zur Erde.