Wie der Mond zu seiner Bahnneigung kam

  • 25. November 2015

Planetesimale kippten den Orbit – und brachten wertvolle Metalle zur Erde.

Unser Mond ist – so die Mehrheitsmeinung der Forscher – in der Endphase der Planetenentstehung vor 4,5 Milliarden Jahren aus den Trümmern einer Kollision der Proto-Erde mit einem marsgroßen Planetesimal entstanden. Simulationen des Zusammenpralls zeigen, dass sich die ausgeworfene Materie zunächst in einer Scheibe in der Äquatorebene der Erde sammelte. Die Lage dieser Scheibe – und damit auch der ursprünglichen Bahn des sich daraus bildenden Erdtrabanten – ist nahezu unabhängig von der Geometrie der Kollision: Der resultierende Mondorbit ist stets um weniger als ein Grad gegen die Äquatorebene geneigt.

Abb.: Ein Planetesimal – rechts oben – durchquert das junge Erde-Mond-System; künstlerische Darstellung. (Bild: L. Lalila)

Abb.: Ein Planetesimal – rechts oben – durchquert das junge Erde-Mond-System; künstlerische Darstellung. (Bild: L. Lalila)

In der Entstehungsphase war der Mond nur etwa zehn Erdradien von der Erde entfernt, entsprechend stark waren die damals wirkenden Gezeitenkräfte. Sie führten einerseits zu einer raschen Zunahme des Bahnradius, andererseits kippten sie die Umlaufbahn ebenfalls rasch in die Ekliptik, also in die Bahnebene der Erde. Numerische Simulationen dieses Prozesses liefern Inklinationen der Mondbahn gegen die Ekliptik von maximal einem halben Grad. Tatsächlich jedoch ist die heutige Mondbahn um fünf Grad geneigt – was einer Neigung von mindestens zehn Grad gegen die Äquatorebene zur Entstehungszeit entspricht. Eine so starke Neigung ist mit dem Entstehungsmodell nicht in Einklang zu bringen.

Mit zahlreichen theoretischen Ansätzen haben Forscher versucht, das lunare Inklinations-Dilemma zu lösen – etwa mit Resonanzeffekten der Mondbahn mit dem Orbit der Erde um die Sonne oder Wechselwirkungen mit den Überresten der Trümmerscheibe. Doch alle diese Ansätze erfordern eine als unwahrscheinlich empfundene Feinabstimmung der physikalischen Parameter. Kaveh Pahlevan und Alessandro Morbidelli von der Université Côte d’Azur in Nizza präsentieren nun eine überraschende Lösung des Problems, bei der sich die heutige Neigung der Mondbahn als natürliche Konsequenz der Prozesse der Planetenbildung ergibt. Zur Zeit der Mond-Entstehung gab es nur noch wenige Planetesimale, die auf ungeordneten Bahnen durch das Sonnensystem kreuzten. Einige wenige dieser Körper stürzten noch nach der Entstehung des Mondes auf die Erde. Doch diese wenigen Körper zogen vorher, so zeigen die Simulationen, jeweils mehrere tausend Male durch das Erde-Mond-System und konnten dadurch einen kumulativen Effekt auf die Mondbahn ausüben.

Abb.: Der Mond entstand zunächst in der Äquatorebene der Erde. Viele Vorübergänge von Planetesimalen kippten den Orbit. (Bild: NPG)

Abb.: Der Mond entstand zunächst in der Äquatorebene der Erde. Viele Vorübergänge von Planetesimalen kippten den Orbit. (Bild: NPG)

Maximal fünf Planetesimale mit einer Gesamtmasse von 0,0075 bis 0,015 Erdmassen reichen aus, um den heutigen Neigungswinkel zu erklären. Zwar seien die Vorübergänge ein stochastischer Prozess, so Pahlevan und Morbidelli, dass heiße jedoch nicht, dass sich die Störungen gegenseitig aufheben. Im Gegenteil, wie bei jedem „Random Walk“-Prozess entferne sich der Neigungswinkel immer weiter von seinem ursprünglichen Wert. Der ganze Vorgang sei zudem, im Gegensatz zu früheren Ansätzen, überaus robust und liefere für eine große Bandbreite von Ausgangsparametern die richtige Größenordnung der Inklination.

Robin Canup vom Southwest Research Institute in Boulder im US-Bundestaat Colorado weist in einem Kommentar zu den Simulationen darauf hin, dass das Szenario von Pahlevan und Morbidelli noch ein weiteres Problem löst: Nämlich die Frage, woher die wertvollen Metalle wie Platin und Gold in der Erdkruste stammen. Denn diese Elemente sind siderophil, sie hätten demnach bereits in der Entstehungsphase der Erde mit dem Eisen zusammen in den Erdkern absinken müssen. Doch eben die Planetesimale, die den Orbit des Mondes kippten, brachten auch neue Metalle zur Erde. Und zwar in einem so späten Stadium der Erdentstehung, dass sie in der Kruste verblieben und nicht mehr ins Innere absanken.

Rainer Kayser

PH

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