Een botsing zoals deze heeft tot het ontstaan van onze maan geleid. NASA/JPL Caltech

Vorming van de maan bezorgde de aarde haar water

De aarde is uniek in ons zonnestelsel omdat ze de enige terrestrische planeet is met een grote hoeveelheid water en een relatief grote maan, die de as van de aarde stabiliseert. Die beide zaken zijn essentieel geweest om leven te laten ontstaan op de aarde, en planetologen van WWU in Münster hebben nu voor het eerst aangetoond dat het water op aarde is beland bij de vorming van de maan, zo'n 4,4 miljard jaar geleden. De maan is ontstaan door de botsing van een hemellichaam zo groot als Mars, Theia genaamd, met de jonge aarde. Tot nu toe werd gedacht dat Theia afkomstig was uit het 'droge' binnenste zonnestelsel, maar nu blijkt dat het hemellichaam afkomstig is uit het buitenste zonnestelsel en grote hoeveelheden water naar de aarde gebracht heeft. 

De aarde is ontstaan in het 'droge' binnenste zonnestelsel dat bestaat uit de vier aardse of terrestrische planeten Mercurius, Venus, de aarde en Mars, en de asteroïdengordel. Terrestrische planeten hebben een oppervlak dat bestaat uit vaste stoffen. Doordat ze dicht bij de zon ontstaan zijn, zijn de vluchtige stoffen voor het grootste deel verdampt zodat er een vast oppervlak overbleef. Het is dan ook enigszins verrassend dat er water op aarde is. 

Om te begrijpen waarom dat het geval is, moeten we teruggaan naar de tijd waarin het zonnestelsel gevormd is, zo'n 4,5 miljard jaar geleden. Uit eerdere studies weten we dat het zonnestelsel een zodanige structuur heeft gekregen dat de 'droge' materialen gescheiden zijn geraakt van de 'natte' materialen: de zogenoemde 'koolstofhoudende' chondrieten, die relatief rijk zijn aan water, komen uit het buitenste zonnestelsel, terwijl de drogere 'niet-koolstofhoudende' chondrieten uit het binnenste zonnestelsel afkomstig zijn. Chondrieten zijn steenmeteorieten waarin chondrulen zitten, ronde korreltjes van ijzer, silicaten of glas, en verschillende soorten koolstof-chondrieten of C-chondrieten bevatten tussen 3 en 22 procent water.    

Hoewel eerdere studies al aangetoond hadden dat koolstofhoudende materialen waarschijnlijk verantwoordelijk waren voor het overbrengen van water naar de aarde, was het niet geweten wanneer en hoe dit koolstofhoudend materiaal - en dus het water - naar de aarde zijn gekomen. 

De aarde en de maan gezien vanuit de Galileo-ruimtesonde. NASA/JPL/Galileo Project

Molybdeen-isotopen

"We hebben molybdeen-isotopen gebruikt om deze vraag te beantwoorden. De molybdeen-isotopen laten ons toe om een duidelijk onderscheid te maken tussen koolstofhoudende en niet-koolstofhoudende materialen, en vormen zo een 'genetische vingerafdruk'  voor materiaal uit het buitenste en het binnenste zonnestelsel", zo zei doctor Gerrit Budde in een persmededeling van de Westfälische Wilhelms-Universität (WMU) in Münster. Budde is postdoctoraal onderzoeker aan het Institut für Planetologie van de universiteit en de hoofdauteur van de nieuwe studie.

Isotopen zijn atomen van een bepaald chemisch element die een verschillend aantal neutronen in hun kern hebben. De metingen van de onderzoekers van Münster tonen aan dat de samenstelling van de aarde wat de isotopen van molybdeen betreft, ligt tussen die van de niet-koolstofhoudende meteorieten en de koolstofchondrieten, wat duidelijk maakt dat een deel van het molybdeen op aarde zijn oorsprong vindt in het buitenste zonnestelsel, waar de koolstofchondrieten vandaan komen. 

De chemische eigenschappen van molybdeen spelen in deze context een zeer belangrijke rol: aangezien molybdeen een ijzerminnend element is, zit het grootste deel van het molybdeen op aarde in de aardkern, die voor het grootste deel uit ijzer bestaat.

"Het molybdeen waar we vandaag toegang toe hebben in de aardmantel, vindt zijn oorsprong dus in de late stadia van het ontstaan van de aarde, terwijl het molybdeen uit de vroegere stadia volledig in de kern zit", zei Cristoph Burkhardt, de tweede auteur van de studie. De resultaten van de studie tonen dus voor het eerst aan dat koolstofhoudend materiaal uit het buitenste zonnestelsel laat op de zich vormende aarde aankwam.

Maar de onderzoekers gaan nog een stap verder. Ze tonen aan dat het grootste deel van het molybdeen in de mantel van de aarde geleverd werd door de protoplaneet Theia, die 4,4 miljard jaar geleden botste op Gaia, de vroege aarde, en zo de maan deed ontstaan.  

Aangezien een groot deel van het molybdeen in de aardmantel afkomstig is uit het buitenste zonnestelsel, betekent dit dat Theia zelf ook afkomstig is uit het buitenste zonnestelsel. Volgens de onderzoekers heeft de botsing van Theia met de aarde genoeg koolstofhoudend materiaal aangeleverd om de totale hoeveelheid water op aarde voor haar rekening te nemen. 

"Onze benadering is uniek omdat ze, voor de eerste keer, ons toelaat om de oorsprong van het water op aarde te associëren met de vorming van de maan. Eenvoudig gezegd, zonder de maan zou er waarschijnlijk geen leven op aarde zijn", zei Thorsten Kleine, professor Expermentele en analytische planetologie aan de WMU en de derde auteur van de studie. 

De studie van Budde, Burkhardt en Kleine is gepubliceerd in Nature Astronomy.

Een stuk macrokristallijn molybdeen. Alchemist-hp/Wikimedia Commons/CC BY-SA 1.2