Entstehung der Erde: Forscher stellen Wasser-Theorie infrage

Die Entstehung der Erde ist mehr als eine Spezialfrage der Astronomie. Davon hängt auch ab, wie sich Wasser, Kohlenstoff und andere flüchtige Stoffe auf unserem Planeten erklären lassen. An diesem Punkt rückt eine neue Analyse das Bild zurecht. Sie legt nahe, dass die Erde fast vollständig aus Material aus ihrer näheren Umgebung entstand und nicht aus großen Mengen von weit jenseits des Jupiters.

Bislang gingen viele Modelle davon aus, dass ein spürbarer Teil des Erdmaterials aus dem äußeren Sonnensystem kam. Genannt wurden je nach Modell rund 6 bis 40 Prozent. Die neue Auswertung kommt zu einem deutlich engeren Ergebnis. Forscher der ETH Zürich berichten im Fachmagazin Nature Astronomy, dass der Anteil von Material aus dem äußeren Sonnensystem bei weniger als 2 Prozent gelegen haben dürfte, möglicherweise sogar bei null.

Was Isotope über Wasser und Baumaterial bei der Entstehung der Erde verraten

Das ist vor allem deshalb wichtig, weil lange eine andere Vorstellung galt. Demnach sollten Wasser und andere flüchtige Stoffe vor allem aus den kalten äußeren Bereichen des Sonnensystems zur jungen Erde gelangt sein. Jetzt wirkt dieses Bild deutlich unsicherer. Wenn die neue Analyse stimmt, dann entstand die Erde weit „heimischer“ als bislang angenommen.

Isotope sind Varianten desselben Elements. Sie besitzen gleich viele Protonen, unterscheiden sich aber in ihrer Masse. Solche feinen Unterschiede helfen Forschern, die Herkunft von Meteoriten und Planetenmaterial nachzuvollziehen. Paolo Sossi und Dan Bower von der ETH Zürich verglichen dafür vorhandene Isotopen-Daten der Erde mit Daten verschiedener Meteoriten sowie mit Material, das Mars und dem Asteroiden Vesta zugeordnet wird.

Zehn Isotopensysteme liefern ein neues Bild

Der entscheidende Punkt liegt in der Breite der Auswertung. Frühere Arbeiten stützten sich oft nur auf zwei Isotopensysteme. In der neuen Untersuchung flossen gleich zehn Systeme ein. Sossi sagt dazu: „Unsere Studie ist eigentlich ein datenwissenschaftliches Experiment.“ Und weiter: „Wir haben statistische Berechnungen vorgenommen, die in der Geochemie kaum je verwendet werden, obwohl sie ein mächtiges Instrument sind.“

Doch diese breitere Auswertung verändert das Bild. Die isotopische Zusammensetzung der Erde passt demnach durchgehend zu Material aus dem inneren Sonnensystem. In der Studie heißt es dazu: „Die Erde entstand daher ausschließlich aus Material des inneren Sonnensystems.“ Das Material von jenseits des Jupiters spielte nach dieser Rechnung also höchstens eine sehr kleine Rolle.

Wasser muss nicht von weit draußen gekommen sein

Lange galt Material aus dem äußeren Sonnensystem als nötige Quelle für Wasser. Die neue Analyse spricht dafür, dass solche großen Materialströme gar nicht nötig waren. Die Autoren rechnen vor, dass schon sehr kleine Beimischungen ausgereicht hätten, um bestimmte flüchtige Stoffe zu liefern.

Die Größenordnungen fallen erstaunlich klein aus. Schon etwa 0,1 Prozent könnten das Stickstoff-Budget der silikatischen Erde erklären. Rund 0,3 Prozent würden für Kohlenstoff reichen. Etwa 1 Prozent könnte den Wasserstoff-Anteil liefern. Das bedeutet nicht, dass diese Mengen sicher genau so ankamen. Es bedeutet aber, dass Wasser und andere flüchtige Elemente nicht in großen Mengen von weit außen gekommen sein müssen.

Jupiter blockte den Materialfluss offenbar früh

Im Hintergrund steht Jupiter. Der Gasriese dürfte früh so stark gewachsen sein, dass seine Schwerkraft eine Lücke in die protoplanetare Scheibe riss. Diese Scheibe aus Gas und Staub war der Geburtsort der Planeten. Jupiter wirkte dabei offenbar wie eine Schranke. Material aus dem äußeren Sonnensystem kam kaum noch nach innen.

Meteoriten lassen sich seit Jahren grob in zwei Gruppen einteilen. Nicht-kohlige Körper stammen aus dem inneren Sonnensystem. Kohlige enthalten mehr Wasser und Kohlenstoff und werden mit dem äußeren Sonnensystem verbunden. Die neue Analyse belegt nach Darstellung der Wissenschaftler, dass die Erde vollständig aus nicht-kohligem Material zusammengesetzt ist. Der lange vermutete Austausch zwischen beiden Reservoiren ist damit in den Daten nicht nachweisbar.

Die Erde wuchs wohl in einer geordneten Nachbarschaft

Das verändert auch den Blick auf die Bauphase unseres Planeten. Die Erde wuchs demnach in einem relativ statischen System und nahm dabei Material aus ihrer näheren Umgebung auf. Mitunter verleibte sich die Erde während ihres Wachstums kleinere Nachbarplaneten ein. Auch deshalb könnte Wasser im inneren Sonnensystem schon vorhanden gewesen sein und nicht erst in großen Mengen von außen angeliefert worden sein.

„Unsere Berechnungen machen es deutlich: Das Baumaterial der Erde stammt aus einem einheitlichen Materialreservoir“, so Sossi. Bower ergänzt: „Wirklich erstaunt waren wir, dass die Erde vollständig aus Material aus dem inneren Sonnensystem zusammengesetzt ist und sich von allen Kombinationen bekannter Meteoriten klar unterscheidet.“ Und weiter: „Unsere Berechnungen sind sehr robust und stützen sich nur auf die Daten selbst, nicht auf physikalische Annahmen, da diese noch nicht vollständig verstanden sind.“

Etwa so könnte es bei der Entstehung der Erde in unserem Sonnensystem ausgesehen haben. Geburt von zwei Planeten (beige Punkte) in einer protoplanetaren Scheibe um den jungen Stern WISPIT 2. — ESO/C. Lawlor, R. F. van Capel Die Illustration zeigt zwei entstehende Planeten in einer protoplanetaren Scheibe um den jungen Stern WISPIT 2. So könnte auch die Entstehung der Erde abgelaufen sein. © ESO CC 4.0

Auch Venus und Merkur passen in das neue Muster

Die Studie endet nicht bei der Erde. Die Analyse ordnet auch Mars und Vesta in dieselbe Linie ein. Auf dieser Grundlage lassen sich sogar Vorhersagen für Venus und Merkur ableiten. Direkte Gesteinsproben von beiden Planeten fehlen bisher allerdings.

Offen bleibt vor allem eine Frage: Warum war im heißen inneren Sonnensystem überhaupt genug Wasser vorhanden, um später die Ozeane der Erde zu bilden? Daran wollen die Forscher nun weiterarbeiten. Auch die Übertragbarkeit auf ferne Planetensysteme interessiert sie.

Sossi macht zugleich klar, dass die Arbeit nicht abgeschlossen ist: „Bis dahin werden Dan und ich aber noch viele hitzige Debatten über die Materialzusammensetzung der Erde und ihrer Nachbarplaneten führen müssen, denn die wissenschaftliche Auseinandersetzung über die Baustoffe, aus der die Erde besteht, ist trotz der neuen Ergebnisse noch lange nicht zu Ende.“

Kurz zusammengefasst:

Eine neue Analyse legt nahe, dass die Erde fast vollständig aus Material des inneren Sonnensystems entstand und nicht zu großen Teilen aus Regionen jenseits des Jupiters.
Dadurch gerät auch die bisher verbreitete Annahme ins Wanken, dass Wasser und andere flüchtige Stoffe nur in größeren Mengen von weit außen zur jungen Erde gelangten.
Zugleich spricht die Studie dafür, dass Jupiter den Materialaustausch früh stark bremste und die Gesteinsplaneten im inneren Sonnensystem geordneter entstanden, als lange vermutet wurde.

Übrigens: Während neue Analysen die Entstehung der Erde näher an ihrer kosmischen Heimat verorten, zeigt ein anderer Fund, wie Planeten später sogar aus ihrem System fliegen können. Ein herrenloser Gasriese liefert nun den bisher klarsten Hinweis darauf, dass solche Welten einst ganz normale Sonnen umkreisten. Mehr dazu in unserem Artikel.