Wie Theia die Erde im Sonnensystem bewohnbar machte

Wie wurde die Erde unter den Gesteinsplaneten des Sonnensystems als einzige zur Heimat des Lebens? Weshalb entwickelte sich unser Planet inmitten dieser kalten, leblosen Umgebung zu einer warmen, gastfreundlichen und lebensfördernden Welt?

Die Antwort darauf ist vielschichtig und kompliziert. Ein Teil davon liegt in der Kosmochemie, einem interdisziplinären Forschungsgebiet, das untersucht, wie chemische Elemente verteilt sind.

Das Sonnensystem ist ein dynamischer Ort, in dem sich alles bewegt. Vor 4,5 Milliarden Jahren war es noch wesentlich chaotischer: Die Planeten entstanden gerade erst, während Planetesimale und Planetenembryonen umherflogen und miteinander kollidierten.

Irgendwie erhielt die Erde in diesem Chaos einen überproportionalen Anteil an kohligen Chondriten – samt den Aminosäuren und weiteren Chemikalien, die Leben ermöglichen.

Kohlige Chondrite im frühen Sonnensystem

Kosmochemische Untersuchungen zeigen, dass zwischen 5% und 10% der Erdmasse von kohligen Chondriten stammt, die auf den jungen Planeten prallten. Studien deuten zudem darauf hin, dass ein grosser Teil davon mit dem Theia-Impaktor kam, durch dessen Einschlag der Mond entstand.

Um diese Annahmen strenger zu überprüfen, verwendete ein Forschungstrio dynamische Simulationen der Entstehung des Sonnensystems. Damit wollten sie feststellen, ob sich dieses Szenario nachbilden lässt.

Die Studie trägt den Titel „Dynamical origin of Theia, the last giant impactor on Earth.“ Hauptautor ist Duarte Branco vom Institute of Astrophysics and Space Sciences am Astronomischen Observatorium Lissabon in Portugal. Die Arbeit wird in der Fachzeitschrift Icarus veröffentlicht.

Eine wesentliche Unterscheidung in der Kosmochemie betrifft kohlige Chondrite (CCs) und nichtkohlige Meteorite (NCs). Sie teilt die Meteoritenpopulation des Sonnensystems in zwei Gruppen und weist darauf hin, dass es zwei getrennte Materialreservoire gibt.

CCs bildeten sich weiter von der Sonne entfernt, vermutlich jenseits des Jupiters, und brachten mehr flüchtige Stoffe wie Wasser und organische Verbindungen mit. Zu den NCs zählen etwa Eisenmeteorite; sie enthalten weniger flüchtige Bestandteile.

Um zu prüfen, ob Theia CCs und flüchtige Stoffe zur Erde geliefert haben könnte, führten die Forschenden detaillierte Simulationen des Sonnensystems durch. Es handelte sich um N-Körper-Simulationen der späten Wachstumsphase der terrestrischen Planeten.

Die Berechnungen setzen in einer späten Phase des planetaren Wachstums ein, nachdem sich die Gasscheibe des Sonnensystems aufgelöst hatte. Die vorhandene feste Masse wurde auf Planetesimale und Planetenembryonen verteilt.

Berücksichtigt wurden CCs, die nach innen gestreut wurden, während Jupiter und Saturn noch weiter wuchsen und Materie ansammelten. Wegen des Grössenunterschieds zwischen Planetesimalen und Planetenembryonen ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass Embryonen mit den terrestrischen Planeten wechselwirken und CC-Material abliefern.

Die Forschenden berechneten drei Simulationsarten. Die erste nannten sie small only; sie enthält ausschliesslich kleine CC-Objekte beziehungsweise Planetesimale. Die zweite, large only, umfasst nur grosse CC-Objekte, also Planetenembryonen. Die dritte Variante kombiniert CC-Planetesimale und -Embryonen und heisst mixed scenario.

Für jeweils zehn Simulationen aus jedem dieser Szenarien bezogen sie zusätzlich die dynamische Instabilität der Riesenplaneten ein. In der Astronomie wird dies als „Nice-Modell“ bezeichnet und beschreibt, wie die Riesenplaneten ihre Umlaufbahnen gegenüber ihren ursprünglichen Entstehungsorten veränderten.

Ziel war es, die Verteilung von CCs und NCs im Sonnensystem zu bestimmen und zu verstehen, weshalb die Erde mehr CCs erhielt als die anderen Gesteinsplaneten, insbesondere der Mars. Ausserdem sollte geklärt werden, ob der Theia-Einschlag für die Lieferung eines grossen Anteils des CC-Materials der Erde verantwortlich gewesen sein könnte.

Theia und die Lieferung von Material zur Erde

Ein eindeutiges Ergebnis lautet, dass die Instabilität der Riesenplaneten – vor allem der Wechsel des Jupiters auf eine andere Umlaufbahn – die Akkretion von CC-Material durch die Erde deutlich beeinflusste.

Als die Forschenden die dynamische Instabilität der Riesenplaneten einbezogen, wurde das Bild noch interessanter. „Die Instabilität der Riesenplaneten veränderte die Entwicklung des Systems dramatisch und verursachte einen starken Impuls der Exzentrizitätsanregung, der zu einer Welle von Kollisionen und Auswürfen führte“, schreiben die Autoren. Der Endzustand des Systems veränderte sich jedoch kaum.

Ein entscheidender Bestandteil der Simulationen ist der Theia-Impaktor. Frühere Arbeiten legen nahe, dass Theia ein kohliges Objekt gewesen sein könnte. Falls das zutrifft, könnte ein erheblicher Teil der lebensfreundlichen Eigenschaften der Erde auf diese Kollision zurückgehen.

„Im gemischten Szenario ohne Instabilität der Riesenplaneten enthielt der letzte Impaktor der Erde in mehr als der Hälfte aller Simulationen eine CC-Komponente. In 38.5% der Simulationen war der letzte Impaktor ein reiner CC-Embryo, und in weiteren 13.5% war der Impaktor ein NC-Embryo, der zuvor einen CC-Embryo akkretierte“, schreiben die Forschenden.

Insgesamt zeichnen die Simulationen das Bild eines frühen Sonnensystems mit zwei getrennten Ringen aus Planetesimalen: einem inneren Ring aus Gesteinsplanetesimalen und einem äusseren Ring aus kohligen Chondriten.

Als die Eisriesen später nach innen wanderten, schleuderten sie CC-Material in das innere Sonnensystem. Ein Teil davon blieb im Asteroidengürtel gefangen, während massereichere Objekte bevorzugt auf Bahnen der Gesteinsplaneten gestreut wurden.

„Die späte Akkretion der terrestrischen Planeten umfasste eine Reihe gewaltiger Einschläge zwischen NC-Embryonen und Planetesimalen, unterbrochen von gelegentlichen Einschlägen von CC-Objekten“, erläutern die Autoren.

Dieses Szenario erklärt mehrere Eigenschaften des Sonnensystems. Es beschreibt sowohl die Massen und Umlaufbahnen der terrestrischen Planeten als auch die Bahnverteilung der Asteroiden. Zudem stimmt es mit dem CC-Massenanteil von Erde und Mars überein: Dem Mars fehlen die hohen Konzentrationen an CC-Material, die auf der Erde vorkommen.

Wäre die Simulation small only korrekt, in der CC-Material ausschliesslich als Planetesimale vorhanden war, müssten die CC-Massenanteile von Mars und Erde ungefähr gleich sein.

Die Forschenden wollten zeigen, im Einklang mit früheren Arbeiten, dass Theia der letzte grosse Impaktor der Erde gewesen sein und reichlich CC-Material enthalten könnte. Dies scheint ihnen gelungen zu sein.

In den Simulationen war der letzte grosse Einschlag auf der Erde jener mit Theia. Dieses Objekt wies höhere Konzentrationen an CC-Material auf, was dazu beitrug, die Erde bewohnbar zu machen. Dieses Resultat entspricht dem wissenschaftlichen Kenntnisstand.

Die Arbeit zeigt, dass der letzte Einschlag zwischen 5 und 150 Millionen Jahren nach der Auflösung der Gasscheibe erfolgte. Ein grosser Anteil dieser Ereignisse fiel in den Zeitraum von 20 bis 70 Millionen Jahren. Der Zeitpunkt des Theia-Einschlags ist zwar mit Unsicherheiten behaftet, doch die Ergebnisse liegen innerhalb dieser Grenzen.

Jupiters Einfluss auf die bewohnbaren Gesteinsplaneten

Die Simulationen stützen auch andere Schlussfolgerungen: CC-Embryonen und -Planetesimale könnten während des gesamten Wachstums der Erde akkreditiert worden sein, waren jedoch in den späteren Wachstumsphasen stärker konzentriert.

„Im Rahmen dieses Szenarios enthielt der letzte grosse Impaktor der Erde in ungefähr der Hälfte aller gemischten Simulationen eine CC-Komponente“, schreiben die Autoren.

„In der Mehrzahl dieser Fälle (38% der Simulationen) war Theia ein ursprünglicher CC-Embryo, während Theia in den übrigen Fällen ein NC-Embryo war, der zuvor einen CC-Embryo akkretierte.“

Die Studie zeigt zudem, dass Jupiter eine wichtige Rolle für die Architektur des Sonnensystems spielte. Er begrenzt nicht nur den Asteroidengürtel, sondern beeinflusste auch entscheidend die endgültige Zusammensetzung der terrestrischen Planeten: CC-Material aus dem äusseren Sonnensystem wurde auf die Bahnen der Gesteinsplaneten gestreut, besonders auf jene der Erde.

Damit die Erde zu der lebensfördernden Welt werden konnte, die sie heute ist, mussten unzählige Bedingungen genau passen. Wie wahrscheinlich ähnliche Welten anderswo sind, ist unbekannt. Für einen Exoplaneten könnte es mehr brauchen als nur die Lage in einer bewohnbaren Zone, um Leben zu ermöglichen.

Möglicherweise muss eine verwirrende Vielzahl an Faktoren zusammenkommen – darunter äussere Riesenplaneten, die wandern und Kohlenstoff zu Gesteinswelten in bewohnbaren Zonen transportieren.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Universe Today veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.