Ein wissenschaftliches Forschungsteam unter der Leitung der Brown University in den USA gab kürzlich die neuesten Forschungsergebnisse bekannt: Sie öffneten Mondkernproben, die seit ihrer Rückkehr zur Erde durch Apollo 17 im Jahr 1972 ordnungsgemäß versiegelt waren, und entdeckten darin ein beispielloses Schwefelisotopensignal. Dieses Ergebnis stellt das traditionelle Verständnis der Entstehung und inneren Entwicklung des Mondes in Frage. Die Forschungsarbeit wurde im Journal of Geophysical Research: Planets veröffentlicht.
Als 1972 die letzten Astronauten des Apollo-Programms vom Mond zurückkehrten, wurden einige der gesammelten Proben versiegelt und konserviert, in der Hoffnung, sie künftig einer eingehenden Analyse durch Wissenschaftler mit fortschrittlicherer Technologie zu überlassen. Mehr als fünfzig Jahre später wurde diese Vision endlich wahr. Ein Team unter der Leitung von James Dottin, Assistenzprofessor am Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences der Brown University, analysierte einen Abschnitt des Mondbodenkerns, der von Apollo 17 in der Taurus-Littrow-Region gesammelt wurde, erneut und identifizierte eine abnormale Schwefelisotopenzusammensetzung.
Der Schwefel in diesen vulkanischen Materialien ist deutlich abgereichert an Schwefel-33 (33S), einem der vier stabilen Schwefelisotope. Das Team stellte fest, dass sich diese Werte erheblich von den Schwefelisotopenverhältnissen unterscheiden, die typischerweise in Erdgesteinen gemessen werden. Bei Untersuchungen der Erde und anderer Planeten wird das Isotopenverhältnis eines Elements als „Fingerabdruck“ betrachtet, der seinen Ursprung und seine Entstehung widerspiegelt: Wenn zwei Proben das gleiche Isotopenmuster aufweisen, bedeutet dies normalerweise, dass sie von demselben „Mutter-Elternteil“ stammen.
Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat seit langem bestätigt, dass die Erde und der Mond hinsichtlich der Sauerstoffisotope sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen, weshalb allgemein spekuliert wird, dass die Schwefelisotopenzusammensetzung im Mondmantel auch der der Erde nahe kommen sollte. Die Ergebnisse dieser Studie waren jedoch ganz anders. Doting sagte, dass er ursprünglich damit gerechnet habe, ähnliche Werte wie auf der Erde zu sehen, am Ende aber zu Ergebnissen gekommen sei, die sich „sehr von allen bekannten Proben auf der Erde unterschieden“. So sehr, dass er, als er die Daten zum ersten Mal sah, reagierte: „Das ist unmöglich, wir müssen irgendwo etwas falsch gemacht haben.“ Nach wiederholten Überprüfungen bestätigte das Team, dass der experimentelle Prozess korrekt war und konnte nur akzeptieren, dass es sich um ein „sehr überraschendes“ echtes Signal handelte.
Die analysierte Probe stammte dieses Mal aus einer sogenannten „Doppelantriebsröhre“: Die Apollo-17-Astronauten Gene Cernan und Harrison Schmitt führten diese hohle Metallröhre etwa 60 Zentimeter tief in die Mondoberfläche ein, um ein relativ in-situ ungestörtes Mondbodenprofil zu erhalten. Nachdem die Proben zur Erde zurückgekehrt waren, versiegelte die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde (NASA) sie im Rahmen des „Apollo Next Generation Sample Analysis Program“ (ANGSA) in einer Heliumumgebung, um die „saubersten“ Mondmaterialien für zukünftige Forschungen zu reservieren.
In den letzten Jahren hat die NASA diese wertvollen Proben durch wettbewerbliche Auswahl wissenschaftlichen Forschungsteams zur Verfügung gestellt. Mit Unterstützung des Lunar Research Consortium LunaSCOPE der Brown University nutzte Doting die Technologie der Sekundärionen-Massenspektrometrie (Sekundärionen-Massenspektrometrie), um hochpräzise Messungen der Schwefelisotope in den Proben durchzuführen – eine Methode, die nicht verfügbar war, als die Apollo-Proben zum ersten Mal zurückgebracht wurden. Er wählte speziell die Teile des Kerns aus, von denen festgestellt wurde, dass sie aus vulkanischem Material tief im Mond stammen, und konzentrierte sich dabei auf die Suche nach Schwefelphasen, die sich beim Ausbruch des Gesteins bildeten und nicht später durch andere Prozesse eingeführt wurden.
Für diese unerwarteten 33S-Signale hat das Forscherteam derzeit zwei Haupterklärungspfade vorgeschlagen. Einer davon hängt mit der frühen Oberflächenumgebung des Mondes zusammen: Wenn Schwefel in der dünnen Atmosphäre unter der Einwirkung ultravioletter Strahlung an spezifischen photochemischen Reaktionen teilnimmt, kann er die Eigenschaften von abgereichertem 33S bilden. Die wissenschaftliche Gemeinschaft geht allgemein davon aus, dass der frühe Mond kurzzeitig eine dünne Atmosphäre hatte und dass die Schwefelisotopensignatur dieses Mal ein Relikt der chemischen Prozesse an der Oberfläche dieser Zeit sein könnte. Wenn diese Erklärung zutrifft, bedeutet dies, dass diese ursprünglich an der Oberfläche befindlichen Schwefelmaterialien durch einen bestimmten Mechanismus tief in den Mondmantel transportiert wurden.
Dotting wies darauf hin, dass dies ein Beweis für einen „Materialaustausch zwischen Oberfläche und Innerem“ im frühen Mondstadium sein werde. Auf der Erde kann Plattentektonik Oberflächenmaterial subtrahieren und in den Erdmantel zurückführen, auf dem Mond gibt es jedoch kein ähnliches Plattentektoniksystem. Wenn es also tatsächlich einen Mechanismus gibt, der Oberflächenmaterialien zum frühen Mond befördern kann, wäre dies für das Verständnis seines internen dynamischen Prozesses sehr wichtig und attraktiv.
Eine andere Erklärung führt die Perspektive zurück auf den Ursprung des Mondes selbst. Die gängige Theorie besagt, dass die frühe Erde eine gewaltige Kollision mit Theia hatte, einem Himmelskörper von der Größe des Mars, und dass sich die herausgeschleuderten Trümmer in der Umlaufbahn sammelten und schließlich den Mond bildeten. Wenn Theia selbst eine ganz andere Schwefelisotopenzusammensetzung als die Erde hätte, könnte sein Material, das tief im Mondmantel verbleibt, auch in heutigen Mondproben nachweisbar sein.
Die verfügbaren Daten reichen zum jetzigen Zeitpunkt nicht aus, um eine eindeutige Entscheidung zwischen den beiden Erklärungen zu treffen. Doting hofft, dass in Zukunft durch systematischen Vergleich mit Isotopendaten von anderen Mondproben und weiteren Planetenkörpern im Sonnensystem die wahre Quelle dieses „heterogenen Schwefelsignals“ weiter geklärt werden kann. Forscher glauben, dass eine eingehende Analyse dieser Isotopen-Fingerabdrücke nicht nur dazu beitragen wird, die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte des Mondes selbst zu rekonstruieren, sondern auch neue Hinweise auf die frühe Materialverteilung und den Planetenbildungsprozess des gesamten Sonnensystems liefern wird.