Rätsel gelöst: Warum die beiden Seiten des Mondes so unterschiedlich sind

Es ist, als könnte man in eine Wassermelone hineinschauen, ohne sie aufschneiden zu müssen. Ob sie reif ist, ob sie große oder kleine Kerne hat, ob sie viel oder wenig Wasser enthält … und das alles erkennt man allein durch eine Untersuchung von außen. Genau das tun Wissenschaftler seit Jahren, allerdings nicht mit Wassermelonen, sondern mit Monden , Asteroiden und sogar ganzen Planeten. Dazu nutzen sie die subtile, aber mächtige Kraft der Schwerkraft und erhalten dank ihr Zugang zu den Geheimnissen, die in ihrem Inneren schlummern.

Zwei aktuelle NASA-Studien, die in „ Nature “ und „ Nature Astronomy “ veröffentlicht wurden, sind ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Analyse von Gravitationsdaten, die von Raumfahrzeugen im All gesammelt werden, unser Verständnis der Planetenstrukturen revolutioniert. Und das alles, ohne auf seiner Oberfläche landen zu müssen. Obwohl der Mond, unser natürlicher Satellit, und Vesta , ein gigantischer Asteroid, der sich im Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter befindet, sehr unterschiedliche Himmelskörper sind, wurde bei beiden Untersuchungen eine ähnliche Technik verwendet, um bisher unveröffentlichte Details über ihre innere Zusammensetzung ans Licht zu bringen.

Für die in Nature veröffentlichte Mondstudie entwickelten die Forscher ein neues Gravitationsmodell unseres Satelliten, das die winzigen Schwankungen seines Gravitationsfelds während seiner elliptischen Umlaufbahn um die Erde berücksichtigt.

Diese Schwankungen führen dazu, dass der Mond aufgrund der von unserem Planeten ausgeübten „Gezeitenkraft“ leicht verformt wird, ein Phänomen, das als „Gezeitenverformung“ bekannt ist. Diese subtile „Flexion“ des Mondes liefert wichtige Informationen über seine tiefe innere Struktur. Es wäre, als würden Sie mit der Hand einen Gummiball drücken. Durch Druck würde sich seine Form verändern. In ähnlicher Weise übt die Erde eine Gravitationskraft auf den Mond aus , die dazu führt, dass sich dieser während seiner Umlaufbahn leicht ausdehnt und zusammenzieht. Wie der Mond auf diesen Druck reagiert, also wie er sich verformt, hängt von der Verteilung der Masse in seinem Inneren ab. Tatsächlich verformt sich ein steiferer Innenraum weniger als ein flexiblerer.

Mithilfe ihres hochentwickelten Computermodells erstellten die Forscher die bislang detaillierteste Gravitationskarte des Mondes. Eine äußerst präzise Kartierung der Mondgravitation, die übrigens nicht nur für diese Art wissenschaftlicher Studien nützlich ist, sondern auch ein unschätzbares Werkzeug für zukünftige Weltraummissionen darstellt.

Möglich wurde dieser Erfolg durch eine umfassende Analyse der von der GRAIL-Mission (Gravity Recovery and Interior Laboratory) der NASA gesammelten Daten. Die Zwillingsraumsonden der Mission mit den Namen Ebb and Flow umkreisten von Dezember 2011 bis Dezember 2012 den Mond und maßen die winzigen Schwankungen in seinem Gravitationsfeld mit erstaunlicher Präzision.

Eines der faszinierendsten Ergebnisse dieser Studie konzentriert sich auf die Unterschiede zwischen der sichtbaren Seite des Mondes (die er uns immer zeigt) und seiner verborgenen Seite. Während die erstere von weiten, dunklen Ebenen, sogenannten „Mondmeeren“, dominiert wird und aus geschmolzenem Gestein besteht, das vor Milliarden von Jahren abkühlte und erstarrte, ist die andere Seite viel bergiger und zerklüfteter und weist nur wenige „Meere“ auf.

Einige Theorien gehen davon aus, dass die Ursache dieser Unterschiede intensiver Vulkanismus auf der sichtbaren Oberfläche sein könnte. Der Prozess hätte zur Ansammlung radioaktiver Elemente in den Tiefen des Erdmantels geführt, die Wärme erzeugen. Die neue Studie bestätigt dies und stellt damit den bislang stärksten Beweis für diese Hypothese dar.

„Wir haben festgestellt, dass sich die erdzugewandte Seite des Mondes stärker biegt als die erdabgewandte “, erklärt Ryan Park vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, der Leiter beider Studien, „was bedeutet, dass es einen grundlegenden Unterschied in der inneren Struktur der beiden Seiten gibt.“ Als wir die Daten zum ersten Mal analysierten, waren die Ergebnisse so überraschend, dass wir es nicht glauben konnten. Daher haben wir die Berechnungen viele Male wiederholt, um die Ergebnisse zu überprüfen. Insgesamt entspricht dies der Arbeit eines Jahrzehnts.

Beim Vergleich ihrer Ergebnisse mit anderen bestehenden Modellen stellte Parks Team einen kleinen, aber signifikanten Unterschied im Ausmaß der Verformung zwischen den beiden Mondhemisphären fest. Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass die Vorderseite aus Materialien besteht, die aus einer wärmeren Region des Mantels stammen. Dies ist außerdem ein starker Beweis für die vulkanische Aktivität, die die Oberfläche der sichtbaren Fläche vor 2 bis 3 Milliarden Jahren geformt hat.

In der zweiten, in Nature Astronomy veröffentlichten Studie wandten die Forscher eine ähnliche Technik an, um die Rotationseigenschaften von Vesta zu analysieren, einem Himmelskörper, der viel kleiner als der Mond ist. Mithilfe radiometrischer Daten des Deep Space Network der NASA und Bildern der Raumsonde Dawn, die den Asteroiden zwischen Juli 2011 und September 2012 umkreiste, entdeckte das Team etwas Überraschendes über seine innere Struktur.

Bislang ging die vorherrschende Theorie davon aus, dass Vesta, wie terrestrische Planeten wie der unsere, klar definierte innere Schichten haben sollte: eine Gesteinskruste, einen Mantel und einen dichten Eisenkern. Die neuen Erkenntnisse zeigten jedoch, dass das Innere von Vesta viel gleichmäßiger sein könnte , mit sehr wenig oder sogar keinem Eisenkern.

Um zu verstehen, wie man zu dieser Schlussfolgerung gelangt ist, muss man das Konzept des „Trägheitsmoments“ verstehen. Stellen Sie sich eine Eiskunstläuferin vor, die mit ausgestreckten Armen ihre Runden dreht. Wenn Sie sie aufheben, bis sie an Ihrem Körper kleben, erhöht sich Ihre Drehgeschwindigkeit. Dies liegt daran, dass sein Trägheitsmoment abnimmt, wenn sich die Masse (die Arme) seiner Rotationsachse nähert. Indem die Wissenschaftler messen, wie Vesta während seiner Rotation „wackelt“, können sie das Trägheitsmoment bestimmen, eine Eigenschaft, die sehr stark von der Massenverteilung in seinem Inneren abhängt. Ein niedriges Trägheitsmoment würde auf eine Konzentration der Masse in Richtung Zentrum hinweisen, während ein hohes Trägheitsmoment auf eine gleichmäßigere Verteilung schließen lässt.

Messungen von Parks Team ergaben, dass Vesta der zweiten Möglichkeit entspricht, was auf eine homogenere Massenverteilung und einen sehr kleinen oder sogar fehlenden dichten Kern hindeutet. Die Entdeckung stellt frühere Theorien über die Entstehung von Vesta in Frage .

Die Schwerkraft führt im Allgemeinen dazu, dass schwerere Elemente mit der Zeit zum Zentrum eines Planetenkörpers sinken, wie dies beispielsweise beim flüssigen Eisenkern der Erde der Fall war. Vestas homogenere Struktur könnte darauf hinweisen, dass sich nie einzelne Schichten gebildet haben oder dass er nach einem massiven Einschlag aus den Fragmenten eines anderen Planetenkörpers entstanden ist.

Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Ansatz, Schwerkraftdaten zu verwenden, um auf die innere Struktur von Himmelskörpern zu schließen, nicht nur auf den Mond und Vesta beschränkt ist. Im Jahr 2016 wandte Ryan Park selbst dieselbe Technik auf Daten der Dawn-Mission an, um Ceres zu untersuchen, den Zwergplaneten, der sich ebenfalls im Asteroidengürtel befindet. Die Ergebnisse dieser Studie deuteten auf ein teilweise differenziertes Inneres von Ceres hin.

Vor Kurzem haben Park und sein Team diese Methode auf Io, den Vulkanmond des Jupiters, ausgeweitet. Mithilfe von Daten, die die NASA-Raumsonden Juno und Galileo während ihrer Vorbeiflüge an Jupiter gesammelt hatten, und deren Kombination mit bodengestützten Beobachtungen konnten die Wissenschaftler subtile Änderungen in der Schwerkraft von Io messen, während dieser den Jupiter umkreist, einen massereichen Planeten mit einer starken Gezeitenkraft. Ihre Ergebnisse zeigten, dass es unwahrscheinlich ist, dass Io einen globalen Magmaozean besitzt, eine Hypothese, die zuvor bereits in Erwägung gezogen worden war.

„Unsere Technik“, sagt Park, „ist nicht auf Io, Ceres, Vesta oder den Mond beschränkt. Es gibt in der Zukunft viele Möglichkeiten, sie für die Untersuchung des Inneren faszinierender Planetenkörper im gesamten Sonnensystem einzusetzen.“