Der Ursprung und die Natur des Mars sind rätselhaft. Der Planet besitzt geologisch sehr verschiedene Hemisphären mit glatten Tiefebenen im Norden und kraterreichen Hochländern im Süden. Der Rote Planet hat außerdem zwei kleine, seltsam geformte Monde und eine Zusammensetzung, die sich von der Zusammensetzung der Erde unterscheidet.
Eine neue Forschungsarbeit von Professor Stephen Mojzsis von der University of Colorado (CU) in Boulder hebt eine wahrscheinliche Ursache für diese rätselhaften Strukturen auf dem Mars hervor: den kolossalen Einschlag eines großen Asteroiden in der Frühgeschichte des Planeten. Dieser Asteroid – ungefähr so groß wie Ceres, der größte Körper im Asteroidengürtel – kollidierte mit dem Mars, sprengte einen Teil der nördlichen Hemisphäre weg und ließ große Mengen metallischer Elemente im Innern des Planeten zurück. Die Kollision könnte zudem einen Ring aus Gesteinstrümmern um den Mars erzeugt haben, die später miteinander verklumpten, um seine Monde Phobos und Deimos zu bilden.
Die Studie erschien im Juni online im Journal Geophysical Research Letters, einer Publikation der American Geophysical Union.
„Wir haben in dieser Abhandlung gezeigt, dass wir diese drei einzigartigen Merkmale des Mars anhand der Dynamik und der Geochemie erklären können“, sagte Mojzsis, ein Professor am Department of Geological Sciences der CU Boulder. „Diese Lösung ist insofern elegant, als dass sie drei interessante und offene Probleme über den Mars löst.“
Astronomen haben sich lange Zeit Gedanken über diese Merkmale gemacht. Vor über 30 Jahren vermuteten Wissenschaftler einen großen Asteroideneinschlag, um die unterschiedlichen Höhenprofile der nördlichen und südlichen Marshemisphäre zu erklären. Die Theorie wurde als die „Einzel-Einschlag-Hypothese“ bekannt. Andere Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass Erosion, Plattentektonik oder urzeitliche Ozeane die einzigartigen Landschaften geformt haben könnten. Die Unterstützung für die Einzel-Einschlag-Hypothese ist in den vergangenen Jahren gewachsen, untermauert durch Computersimulationen von großen Einschlägen.
Mojzsis nahm an, dass er durch die Untersuchung der metallischen Elemente im inneren Aufbau des Mars in der Lage sein könnte, dessen Geheimnisse besser zu verstehen. Er schloss sich mit Ramon Brasser zusammen, einem Astronom am Earth-Life Science Institute des Tokyo Institute of Technology in Japan, und ging die Sache an.
Das Team untersuchte Proben aus Marsmeteoriten und erkannte, dass ein Übermaß an seltenen Metallen wie Platin, Osmium und Iridium im Mantel des Planeten eine Erklärung verlangte. Solche Elemente sind normalerweise in den metallischen Kernen von Gesteinsplaneten gefangen, und ihre Existenz deutete darauf hin, dass der Mars in seiner Frühgeschichte von zahlreichen Asteroiden getroffen sein musste. Durch die Modellierung dessen, wie ein großes Objekt (zum Beispiel ein Asteroid) solche Elemente zurückgelassen haben könnte, erforschten Mojzsis und Brasser die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein kolossaler Einschlag für den Metallreichtum verantwortlich sein könnte.
Die beiden Forscher schätzten zunächst die Mengen dieser Elemente ausgehend von Marsmeteoriten. Daraus leiteten sie ab, dass die Metalle etwa 0,8 Prozent der Planetenmasse ausmachen. Anschließend verwendeten sie Einschlagsimulationen, in denen verschieden große Asteroiden mit dem Mars kollidieren, um zu sehen, bei welcher Größe ein Asteroid die Metalle mit der Rate ansammelt, die sie im frühen Sonnensystem erwarteten.
Basierend auf ihrer Analyse werden die Metalle des Mars am besten durch eine gewaltige Kollision mit einem Asteroiden vor etwa 4,43 Milliarden Jahren erklärt, gefolgt von einer langen Reihe kleinerer Einschläge. In ihren Computersimulationen war der Einschlag eines mindestens 1.200 Kilometer großen Asteroiden erforderlich, um genügend große Mengen dieser Elemente abzulagern. Ein Einschlag dieser Größenordnung hätte auch die Kruste des Mars nachhaltig verändern und seine unterschiedlichen Hemisphären verursachen können.
Mojzsis sagte, die Kruste der nördlichen Hemisphäre scheine tatsächlich etwas jünger zu sein als die alten Hochländer im Süden, was mit den Ergebnissen übereinstimmen würde. „Der überraschende Teil ist, wie gut es zu unserem Wissen über die Dynamik der Planetenentstehung passt“, sagte Mojzsis mit Bezug auf den theoretischen Einschlag. „Ein derart großes Einschlagereignis passt elegant zu dem, was wir über die Entstehungszeit wissen.“
Man geht davon aus, dass solch ein Einschlag auch einen Ring aus Gesteinstrümmern um den Mars erzeugt hätte, die sich später zu den Monden Phobos und Deimos zusammenfanden. Das erklärt teilweise, warum diese Monde aus einem Gemisch aus eigenem und marsfremdem Material bestehen.
In Zukunft wird Mojzsis die Marsmeteoriten-Sammlung der CU Boulder nutzen, um die Mineralogie des Mars und was sie uns über einen möglichen Asteroideneinschlag verraten kann, besser zu verstehen. Solch ein Einschlag sollte am Anfang Verklumpungen aus Asteroidenmaterial und Marsgestein erzeugt haben. Mit der Zeit vermischten sich die beiden Vorkommen. Durch die Untersuchung von Meteoriten aus verschiedenen Zeitperioden kann Mojzsis sehen, ob es weitere Belege für dieses Vermischungsmuster gibt und damit möglicherweise auch weitere Unterstützung für eine frühzeitliche Kollision liefern.
„Gute Theorien machen Voraussagen“, sagte Mojzsis im Hinblick darauf, wie die Einschlagtheorie das Aussehen des Mars voraussagen könnte. Er hofft, durch die Untersuchung von Marsmeteoriten und die Herstellung von Zusammenhängen mit Planetenentstehungsmodellen besser verstehen zu können, wie alte gewaltige Asteroideneinschläge den Roten Planeten in seiner Frühzeit radikal veränderten.
(THK)
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