Der Mondcode, der in der ersten Charge von Chang'e 5-Proben versteckt ist

Im Dezember 2020 brachte Chang'e 5, die erste Mondprobenrückholmission meines Landes, erfolgreich 1.731 Gramm Proben in den nördlichen Teil des Ozeans der Stürme auf der Vorderseite des Mondes zurück. Dies ist das erste Mal, dass 44 Jahre nach der letzten Mondprobenmission der sowjetischen Raumsonde Luna 24 im Jahr 1976 Proben vom Mond zurückgebracht wurden. Es ist auch das erste Mal, dass Menschen Proben aus dem jüngsten Vulkangestein auf der Mondoberfläche gesammelt haben. Welche wichtigen wissenschaftlichen Fragen offenbaren uns also die ersten Mondproben von Chang'e-5?

Jüngste jemals registrierte vulkanische Aktivität auf dem Mond

Wenn man das durch vulkanische Aktivität erzeugte Magma mit dem „Blut“ eines Planeten vergleicht, dann stellt der letzte Fluss dieses „Blutes“ das Ende des geologischen Lebens des Planeten dar. Die Erde ist groß und verfügt über reichlich Energie, daher gibt es auch heute noch vulkanische Aktivitäten. Der Mars (ungefähr halb so groß wie die Erde) stellte vor 200 Millionen Jahren seine vulkanische Aktivität ein und wurde zu einem toten Planeten. Wann der Mond (der etwa halb so groß ist wie der Mars) starb, ist für Wissenschaftler schon lange eine Frage, die sie beschäftigt.

Präzise Ergebnisse der Datierung mit radioaktiven Isotopen zeigen, dass die von den Apollo-Missionen der USA und der Luna-Mission der Sowjetunion zurückgebrachten Proben mehr als drei Milliarden Jahre alt sind und dass die Mondmeteoriten mehr als 2,8 Milliarden Jahre alt sind. Chinesische Wissenschaftler analysierten und zählten 47 Basaltfragmente mit unterschiedlichen Strukturen aus der ersten Partie Mondproben von Chang'e 5. Mithilfe der unabhängig entwickelten Uran-Blei-Datierungstechnologie (U) mit ultrahoher räumlicher Auflösung führten sie eine Ionensondenanalyse an 51 zirkonhaltigen Mineralien (Badgezirkon, Perowskit, Tranquility Stone usw.) durch, die größer als drei Mikrometer waren, und ermittelten schließlich das genaue Alter: 2,030 ± 0,04 Milliarden Jahre. Diese Entdeckung aktualisiert das Alter der jüngsten Basaltprobe auf dem Mond auf vor zwei Milliarden Jahren. Dies bedeutet, dass die Zeit, in der das „Blut“ des Mondes geflossen ist (d. h. die geologische Lebensdauer des Mondes), um 800 bis 900 Millionen Jahre verlängert wurde.

Ein Vergleich der Durchmesser von Erde, Mars und Mond (in gleichen Anteilen) und der Dauer der vulkanischen Aktivität zeigt: Je kleiner der Planet, desto kürzer seine geologische Lebensdauer. Bildquelle: Purple Mountain Observatory

Wichtige Ankerpunkte für die statistische Datierung von Einschlagkratern terrestrischer Planeten

Der Mond ist ein 4,5 Milliarden Jahre altes Geschichtsbuch der planetaren Gewalt im Sonnensystem, das Asteroideneinschläge während des gesamten historischen Zeitraums vollständig aufzeichnet und bewahrt. Im Allgemeinen folgen die Altersverhältnisse der geologischen Einheiten auf dem Mond einfach dem Gesetz der Überlagerung: Die Gesteine ​​oben sind jünger, und die Gesteine ​​unten sind älter. Darüber hinaus erfolgen Asteroideneinschläge auf der Mondoberfläche zufällig, sodass theoretisch die Wahrscheinlichkeit, dass ein beliebiger Teil der Mondoberfläche getroffen wird, gleich ist. In älteren Regionen bilden sich mehr Einschlagkrater, sodass sich mithilfe der Verteilungsdichte von Einschlagkratern eine Methode zur Schätzung des Oberflächenalters eines Planeten ergibt: die statistische Datierungsmethode für Einschlagkrater.

Dank der sechs Apollo-Programme der USA (zurückgebrachte Proben im Gewicht von 381,69 kg) und der drei Mondprogramme der Sowjetunion (321 g) konnten die Wissenschaftler das absolute Alter der zurückgebrachten Proben nutzen, um die entsprechenden geologischen Einheiten zu kalibrieren und eine statistische Datierungskurve für Einschlagkrater zu erstellen. Aufgrund des Mangels an jungen Mondproben weist die Datierungskurve jedoch keine Kalibrierungspunkte zwischen 1 und 3 Milliarden Jahren auf. Die Chang'e-5-Proben füllen diese Lücke und bieten einen wichtigen Ankerpunkt für diese Datierungskurve bei 2 Milliarden Jahren, wodurch die Genauigkeit der statistischen Datierungsmethode für Einschlagkrater erheblich verbessert wird. Dies könnte Wissenschaftlern dabei helfen, nicht nur das geologische Alter anderer Bereiche auf der Mondoberfläche, sondern auch das geologische Alter der Oberflächen terrestrischer Planeten wie Merkur, Venus, Mars und Asteroiden besser zu bestimmen.

Chang'e 5-Proben liefern wichtige Ankerpunkte in der statistischen Datierungskurve von Einschlagkratern auf dem Mond. Bildquelle: modifiziert nach Referenz [2]

Der Mondmantel ist wirklich "trocken"

Derzeit deuten zahlreiche Beobachtungsdaten darauf hin, dass der Mond aus einer großen Kollision entstand und durch die Kondensation von Magma und Gas hoher Temperatur entstand, die bei der Kollision ausgestoßen wurden. Durch diesen Prozess gehen große Mengen flüchtiger Bestandteile wie beispielsweise Wasser verloren, sodass der Mond theoretisch ein sehr „trockener“ Planet sein müsste. Allerdings unterscheiden sich die Schätzungen des Wassergehalts im Mondmantel durch verschiedene wissenschaftliche Teams um zwei Größenordnungen, von wasserfrei („knochentrocken“) bis wasserreich (bis zu 200 μg/g), was dazu führt, dass die Debatte über die „nasse“ und „trockene“ Natur des Mondes noch Jahrzehnte andauert.

Bei den von Chang'e-5 zurückgebrachten Proben handelt es sich um die jüngsten Basalte aller Zeiten, sie weisen einen klaren geologischen Hintergrund auf und sind den wenigsten späteren Veränderungen (wie etwa durch Asteroiden- und Kometeneinschläge, Sonnenwindpartikeleinschuss usw.) ausgesetzt gewesen, was sie zu hervorragenden Objekten für die Beantwortung dieser Frage macht. Wissenschaftler verwendeten Nano-Ionensonden mit hoher räumlicher Auflösung, um den Wassergehalt und die Wasserstoffisotopenzusammensetzung von Mineral- und Schmelzeinschlüssen zu analysieren, und schätzten, dass der Wassergehalt in der Quellregion des Mondmantels der Chang'e-5-Proben nur 1 bis 5 Mikrogramm/Gramm beträgt, was darauf hindeutet, dass der Mondmantel sehr „trocken“ ist.

Verteilung des Wassergehalts im Mondinneren im Laufe der Zeit. Die Ergebnisse der Chang'e 5-Probe zeigen, dass der Wassergehalt des Mondmantels deutlich niedriger ist als bisher angenommen. Bildquelle: modifiziert nach Referenz [1]

Keine KREEP-Komponente in der Magmaquelle Chang'e-5 gefunden

Als der Mond entstand, war er von einem Hunderte Kilometer tiefen Magmaozean bedeckt. Wenn die Temperatur sinkt, beginnt das Magma zu erstarren und Gestein zu bilden. Als der Kristallisationsgrad des Magmaozeans etwa 98 % erreichte, konzentrierten sich inkompatible Elemente (Elemente, die nicht gern in Feststoffe übergehen, sondern gern in Schmelzen) in der Restschmelze stark und bildeten schließlich eine dünne KREEP-Zwischenschicht (Abkürzung KREEP, benannt nach der Anreicherung mit Kalium K, den Seltenerdelementen REE und Phosphor P) zwischen der Mondkruste und dem Mondmantel. KREEP-Gesteine ​​sind reich an radioaktiven Wärme erzeugenden Elementen wie Uran (U), Thorium (Th) und Kalium (K).

Fernerkundungsdaten zeigen, dass die jüngsten vulkanischen Aktivitäten auf der Mondoberfläche hauptsächlich an einem Ort namens Klip Terrane auf der Vorderseite des Mondes stattfinden (dem Standort des „Osmanthus-Baums“ auf der Vorderseite des Mondes), der auch der Ort mit dem meisten Thorium auf der gesamten Mondoberfläche ist. Daher gilt die durch den Zerfall radioaktiver Elemente in der KREEP-Komponente erzeugte Wärme seit langem als Hauptenergiequelle zur Aufrechterhaltung der langfristigen vulkanischen Aktivität auf dem Mond. Hochpräzise Isotopenergebnisse von Strontium (Sr), Neodym (Nd) und Blei (Pb) zeigen jedoch, dass die Quellregion des Mondmantels von Chang'e 5 weit von den Eigenschaften der KREEP-Gesteine ​​entfernt ist.

Verteilungskarte des Basalt- und Thoriumgehalts (Th) auf der erdzugewandten Seite des Mondes. A stellt den Probenahmepunkt der US-Apollo-Mission dar und L den Probenahmepunkt der sowjetischen Luna-Mission. ￨ Bildquelle: modifiziert nach Referenz [6]

Wärmequelle des jüngsten Mondvulkans bleibt ein Rätsel

Die ersten Ergebnisse wissenschaftlicher Untersuchungen anhand der von Chang'e-5 zurückgebrachten Proben haben unser bisheriges Verständnis der vulkanischen Aktivität auf dem Mond erheblich erweitert und auch Fragen zur thermischen Entwicklungsgeschichte des Mondes aufgeworfen. Der Durchmesser des Mondes beträgt weniger als 1/3 des Durchmessers der Erde. Bei einem Planeten mit einem so großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen hätte er rasch abkühlen, sein geologisches Leben frühzeitig beenden und die Magmaaktivität einstellen müssen. Warum hielt die vulkanische Aktivität auf dem Mond bis vor 2 Milliarden Jahren an?

Bisher gab es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zwei mögliche Spekulationen: Entweder sind die Gesteine ​​des Mondmantels reich an radioaktiven, wärmeerzeugenden Elementen und stellen so eine Wärmequelle dar, oder der Mondmantel ist reich an Wasser und senkt so den Schmelzpunkt der Gesteine, sodass Magma ohne große Hitze entstehen kann. Allerdings enthält die Quellregion von Chang'e-5 weder KREEP-Komponenten noch Wasser, was bedeutet, dass wir möglicherweise einen völlig neuen theoretischen Rahmen oder ein thermisches Evolutionsmodell benötigen, um das Geheimnis der geologischen Langlebigkeit des Mondes zu lüften.

Im Landegebiet von Chang'e 5 kann es mehrere Perioden vulkanischer Aktivität geben

Mondbasalte sind vor allem in den Becken des Mondes verbreitet und kommen meist auf der Vorderseite des Mondes vor. Sie könnten durch eine teilweise Schmelze des Mondmantels in einer Tiefe von 100 bis 400 Kilometern entstanden sein. Im Vergleich zu ähnlichen Gesteinen auf der Erde weist es einen höheren und variableren TiO2-Gehalt auf, der zwischen 0,2 und 16,5 Gewichtsprozent liegt, was einem Unterschied von etwa dem 80-fachen entspricht. Eine derart große Bandbreite an Zusammensetzungsvariationen spiegelt nicht nur die Heterogenität der Verteilung der Kumulatgesteine ​​tief im Mondmantel wider, sondern auch die hohe Komplexität des magmatischen Prozesses auf dem Mond. Daher können wir anhand verschiedener Arten von Mondbasalten die Zusammensetzung tiefer Mondmaterialien und die Entwicklung magmatischer Prozesse im Laufe der Zeit und in verschiedenen Räumen untersuchen.

Ein relativ seltener hochtitanhaltiger Mondbasalt (Codenummer CE5C0000YJYX065) ￨ Bildquelle: Purple Mountain Observatory [7]

Am 12. Juli 2021 erhielt das Purple Mountain Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die erste Charge von zwei Chang'e-5-Mondbasaltproben. An einer der Proben (Nr. CE5C0000YJYX065) wurden detaillierte mineralchemische und dreidimensionale Tomographiestudien durchgeführt, wobei hochauflösende Mikro-CT, Rasterelektronenmikroskopie, Elektronensonde und andere Technologien zum Einsatz kamen. Mehrere Beweislinien deuten darauf hin, dass CE5C0000YJYX065 im Gegensatz zu den in Chang'e-5 gemeldeten Mondbasalttypen mit mittlerem und niedrigem Titangehalt ein relativ seltener Mondbasalt mit hohem Titangehalt ist. Dies weist darauf hin, dass es im Laufe der Geschichte im Landegebiet von Chang'e-5 möglicherweise mehrere Vulkanausbrüche gegeben hat. Dadurch werden hoffentlich detaillierte räumliche und zeitliche Verteilungsmuster unterschiedlicher Materialzusammensetzungen in der Quellregion des Mondmantels und der späten vulkanischen Aktivität des Mondes enthüllt.

CT-Video von Mondbodenproben ￨ Quelle: Purple Mountain Observatory

Quellen:

[1] Hu et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9.

[2] Li et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2.

[3] Tian et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5.

[4] Li et al., National Science Review, 2021. https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188.

[5] Che et al., Science, 2021. https://doi.org/10.1126/science.abl7957.

[6] Yang und Lin, The Innovation, 2021. https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100070.

[7] Jiang et al., Science Bulletin, 2021. https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.12.006.

Über den Autor

Jiang Yun

Assoziierter Forscher am Labor für Astrochemie und Planetenwissenschaft, Purple Mountain Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften. Forschungsrichtung: Petrologie, Mineralogie, Isotopengeochemie und Chronologie von Mond-, Mars- und Asteroidenmeteoriten.

Rotierende Chefredakteure: Ji Jianghui, Chen Xuepeng

Herausgeber: Wang Kechao