Seltsame Kleckse im tiefen Erdmantel sind die Überreste eines alten Planeten

Eine Studie des California Institute of Technology legt nahe, dass zwei massive, eisenreiche Strukturen tief im Erdmantel die Überreste von Theia sind, einem alten Planeten, der mit der Erde kollidierte und dabei auch den Mond schuf. Diese Entdeckung beantwortet langjährige Fragen zum Ursprung des Mondes und zum Schicksal von Theia.

In den 1980er Jahren machten Geophysiker eine überraschende Entdeckung: Tief im Erdinneren wurden zwei kontinentalgroße Klumpen ungewöhnlichen Materials gefunden, einer unter dem afrikanischen Kontinent und einer unter dem Pazifischen Ozean. Jeder Punkt ist etwa doppelt so groß wie der Mond und besteht wahrscheinlich aus unterschiedlichen Anteilen an Elementen im Vergleich zum umgebenden Mantel.

Große, langsame Kreisanlagen

Woher kamen diese seltsamen Blobs – offiziell bekannt als Large Low-Velocity Provinces (LLVPs) –? Eine neue Studie von Forschern des California Institute of Technology legt nahe, dass es sich um die Überreste eines alten Planeten handelt, der vor Milliarden von Jahren bei demselben riesigen Einschlag, der auch unseren Mond entstehen ließ, heftig mit der Erde kollidierte.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur Am 1. November bietet es außerdem eine Antwort auf ein weiteres Rätsel der Planetenwissenschaft. Forscher gehen seit langem davon aus, dass der Mond nach einer riesigen Kollision zwischen der Erde und einem kleineren Planeten namens Theia entstanden ist. Im Asteroidengürtel oder in Meteoriten wurden jedoch keine Spuren von Theia gefunden. Diese neue Studie legt nahe, dass der größte Teil von Theia von der jungen Erde absorbiert wurde und LLVPs bildete, während von der Kollision verbleibende Trümmer vom Mond absorbiert wurden.

Visualisierung der Erde mit großen „Klumpen“ dichter Materie in der Nähe des Erdkerns. Diese Punkte wurden in den 1980er Jahren entdeckt. Nun vermuten Forscher, dass es sich tatsächlich um die Überreste eines antiken Planeten namens Theia handelt, der mit der Erde kollidierte und den Mond bildete. Bildnachweis: Edward Garnero

Forschungsmethodik und Ergebnisse

Die Forschung wurde von Qian Yuan geleitet, einem Postdoktoranden bei Oakey Earle in den Labors von Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), dem Eleanor- und John R. MacMillan-Professor für Geologie und Geochemie; und Michael Jorness, John E. und Hazel S. Smits Professor für Geophysik und Clarence R. Allen Leadership Chair, Direktor des Caltech Seismic Laboratory und Direktor der Schmidt Academy of Software Engineering am Caltech.

Wissenschaftler entdeckten LLVPs erstmals durch die Messung seismischer Wellen, die sich durch die Erde ausbreiten. Seismische Wellen breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch unterschiedliche Materialien aus, und in den 1980er Jahren gab es erste Hinweise auf großräumige dreidimensionale Variationen tief in der Erdstruktur. Im tieferen Erdmantel wird das Muster seismischer Wellen von den Signaturen zweier großer Strukturen in der Nähe des Erdkerns dominiert, von denen Forscher glauben, dass sie einen ungewöhnlich hohen Eisengehalt aufweisen. Dieser hohe Eisengehalt bedeutet, dass die Gebiete dichter sind als ihre Umgebung, was dazu führt, dass seismische Wellen, die sie durchqueren, langsamer werden, was zu der Bezeichnung „große Provinzen mit niedriger Geschwindigkeit“ führt.

Yuan, ein ausgebildeter Geophysiker, nahm 2019 an einem Symposium zur Planetenentstehung teil, das Mikhail Zolotov, Professor an der Arizona State University, veranstaltete. Zolotov stellte die Rieseneinschlagshypothese vor, während Qian darauf hinwies, dass der Mond relativ reich an Eisen sei. Zolotov fügte hinzu, dass keine Spur des Fahrzeugs gefunden worden sei, das mit Sicherheit mit dem Boden zusammengestoßen sei.

„Unmittelbar nachdem Michael gesagt hatte, dass niemand weiß, wo sich das Einschlagobjekt jetzt befindet, hatte ich einen Heureka-Moment und erkannte, dass das eisenreiche Einschlagobjekt in Klumpen des Erdmantels hätte umgewandelt werden können“, sagt Yuan.

Detaillierte Simulation des Aufpralls von Theia auf die Erde. Obwohl der Aufprall heftig war, war er nicht stark genug, um den unteren Erdmantel zum Schmelzen zu bringen, was bedeutet, dass Überreste von Theia erhalten geblieben sein könnten, anstatt sich homogen mit dem Erdmaterial zu vermischen. Bildnachweis: Hong Bing Ding

Yuan arbeitete mit interdisziplinären Mitarbeitern zusammen, um verschiedene Szenarien für die chemische Zusammensetzung von Theia und seine Auswirkungen auf die Erde zu modellieren. Simulationen bestätigten, dass die Physik der Kollision zur Bildung sowohl von LLVPs als auch des Mondes führen könnte. Es ist möglich, dass ein Teil des Mantels von Theia in den Erdmantel integriert wurde, wo er sich schließlich sammelte und zusammenkristallisierte, um die beiden unterschiedlichen Klumpen zu bilden, die heute an der Mantel-Kern-Grenze entdeckt werden können; Andere Trümmer der Kollision vermischten sich und bildeten den Mond.

Implikationen und zukünftige Forschung

Warum sammelte sich Theias Material angesichts dieses heftigen Aufpralls an den beiden unterschiedlichen Stellen, anstatt sich mit dem Rest des sich bildenden Planeten zu vermischen? Die Simulationen der Forscher zeigten, dass ein Großteil der Energie von Theias Einschlag in der oberen Hälfte des Erdmantels verblieb, wodurch der untere Erdmantel kühler blieb, als frühere niedrig aufgelöste Einschlagsmodelle angenommen hatten. Da der untere Mantel durch den Einschlag nicht vollständig geschmolzen war, blieben Klumpen eisenhaltigen Materials aus Theia weitgehend intakt, als es sich zur Basis des Mantels bewegte, wie bunte Paraffinwachsklumpen in einer erloschenen Lavalampe. Wenn der untere Mantel heißer gewesen wäre (d. h. mehr Energie durch die Kollision erhalten hätte), hätte er sich besser mit eisenreichen Materialien vermischt, wie etwa Farben in einem Farbtopf.

Die nächsten Schritte bestehen darin, zu untersuchen, wie sich das frühe Vorhandensein des heterogenen Theia-Materials tief im Inneren der Erde auf die inneren Prozesse unseres Planeten, wie etwa die Plattentektonik, auswirkte.

„Die logische Konsequenz aus der Vorstellung, dass LLVPs Überreste von Theia sind, ist, dass sie sehr alt sind“, sagt Asimov. „Deshalb ist es sinnvoll, anschließend zu untersuchen, welche Konsequenzen sie auf die frühe Entwicklung der Erde hatten, wie zum Beispiel den Beginn der Subduktion, bevor die Bedingungen für die moderne Plattentektonik geeignet waren, die Bildung der ersten Kontinente und den Ursprung der ältesten tektonischen Platten. Überleben.“ der Mineralien der Erde.

Neue Forschungsergebnisse lösen zwei seit langem bestehende Rätsel der Planetenwissenschaft: Was sind die riesigen, mysteriösen „Klumpen“ aus Material in der Nähe des Erdkerns und was ist mit dem Planeten passiert, der mit der Erde kollidierte und den Mond erschuf? Eine neue Studie des California Institute of Technology legt nahe, dass noch immer Überreste dieses alten Planeten auf der Erde existieren, was den Ursprung der „Blobs“ nahe der Kern-Mantel-Grenze erklärt.

Referenz: „Mondbildende Kollision als Quelle der basalen Mantelanomalie der Erde“ von Qian Yuan, Mingming Li und Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng und Edward J. Garnero, Travis S.J. Gabriel und Jacob A. , Vincent Ecke und Paul D. Asimov, 32. Oktober 2023, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan ist der erste Autor. Neben Yuan und Asimo ist Yoshinori Miyazaki, ein Stanback-Postdoktorand, der sich mit der vergleichenden Planetenentwicklung beschäftigt, ein weiterer Co-Autor am Caltech. Weitere Co-Autoren sind Mingming Li, Stephen Desch und Edward Garnero (PhD ’94) von der Arizona State University (ASU); Byungkwan Ko von der Arizona State University und der Michigan State University; Hongping Ding von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften; Travis Gabriel von der USGS; Jacob Kegeris NASAAmes-Forschungszentrum; und Vincent Ecke von der Durham University. Die Finanzierung erfolgte durch die National Science Foundation, das Aoki Earle Postdoctoral Fellowship am Caltech, die USGS, die NASA und das Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.