Das Gestein unter einem alten Vulkan auf der anderen Seite des Mondes bleibt überraschend warm, wie Wissenschaftler anhand von Daten umlaufender chinesischer Raumsonden herausgefunden haben.
Sie weisen auf eine große Granitplatte hin, die aus Magma in den geologischen Leitungen unter dem sogenannten Compton-Belkovich-Vulkankomplex erstarrte.
„Ich würde sagen, wir schlagen den Nagel in den Sarg, dass es sich tatsächlich um eine vulkanische Erscheinung handelt“, sagte Matthew Siegler, Wissenschaftler am Planetary Science Institute mit Sitz in Tucson, Arizona, und Leiter der Forschung. „Aber das Interessante ist, dass es sich um ein sehr erdähnliches vulkanisches Gebilde handelt.“
Die Ergebnisse, die letzte Woche in der Fachzeitschrift Nature erschienen sind, helfen zu erklären, was vor langer Zeit unter einem seltsamen Teil des Mondes geschah. Die Studie beleuchtet auch das wissenschaftliche Potenzial der vom chinesischen Raumfahrtprogramm gesammelten Daten und wie Forscher in den Vereinigten Staaten Hindernisse überwinden müssen, um diese Daten nutzen zu können.
Für diese Studie analysierten Dr. Siegler und seine Kollegen Daten von Mikrowelleninstrumenten auf Chang’e-1, die 2007 gestartet wurden, und Chang’e-2, die 2010 gestartet wurden, zwei frühen chinesischen Raumschiffen, die nicht mehr in Betrieb sind. Da der Kongress derzeit eine direkte Zusammenarbeit zwischen der NASA und China verbietet und die Forschung durch ein NASA-Stipendium finanziert wurde, konnte Dr. Siegler nicht mit Wissenschaftlern und Ingenieuren zusammenarbeiten, die die Daten gesammelt haben.
„Das war eine Einschränkung, dass wir nicht einfach die Ingenieure anrufen konnten, die das Instrument in China gebaut hatten, und sagen: ‚Hey, wie sollen wir diese Daten interpretieren?‘“, sagte er. „Es wäre wirklich großartig, wenn wir die ganze Zeit mit den chinesischen Wissenschaftlern daran hätten arbeiten können. Aber wir dürfen es nicht. Aber zum Glück haben sie einige ihrer Datenbanken veröffentlicht.“
Er konnte auf das Fachwissen des chinesischen Wissenschaftlers Jianqing Feng zurückgreifen, der Dr. Siegler auf einer Konferenz traf. Dr. Feng arbeitete an einem Monderkundungsprojekt an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
„Mir wurde klar, dass die Kombination der Monderkundungsdaten aus verschiedenen Ländern unser Verständnis der Mondgeologie vertiefen und spannende Erkenntnisse liefern würde“, sagte Dr. Feng in einer E-Mail. „Deshalb habe ich meinen Job in China gekündigt, bin in die Vereinigten Staaten gezogen und habe mich dem Planetary Science Institute angeschlossen.“
Die chinesischen Orbiter verfügten beide über Mikrowelleninstrumente, die bei vielen erdumlaufenden Wettersatelliten üblich, bei interplanetaren Raumfahrzeugen jedoch selten sind.
Die Daten von Chang’e-1 und Chang’e-2 lieferten somit eine andere Sicht auf den Mond, indem sie den Wärmefluss bis zu 15 Fuß unter der Oberfläche maßen – und erwiesen sich als ideal für die Untersuchung der Kuriosität von Compton-Belkovich.
Optisch sieht die Region unauffällig aus. (Es hat nicht einmal einen eigenen Namen; die mit Bindestrich versehene Bezeichnung leitet sich von zwei benachbarten Einschlagskratern ab, Compton und Belkovich.) Dennoch fasziniert die Region Wissenschaftler seit einigen Jahrzehnten.
In den späten 1990er Jahren arbeitete David Lawrence, damals Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory, an Daten, die von der Lunar Prospector-Mission der NASA gesammelt wurden, und bemerkte einen hellen Fleck aus Gammastrahlen, der von dieser Stelle auf der anderen Seite des Mondes aus schoss. Die Energie der Gammastrahlen, der energiereichsten Form des Lichts, entsprach Thorium, einem radioaktiven Element.
„Es war einer dieser seltsamen Orte, der in Bezug auf die Thoriumhäufigkeit einfach wie ein wunder Daumen auffiel“, sagte Dr. Lawrence, jetzt Planetenforscher am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Maryland. „Ich bin Physiker. Ich bin kein Experte für Mondgeologie. Aber selbst als Physiker sah ich das auffallen und sagte: ‚Okay, das ist etwas, das es wert ist, weiter untersucht zu werden.‘“
Die nächsten Enthüllungen kamen nach der Ankunft des Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA im Jahr 2009. Bradley L. Jolliff, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Washington University of St. Louis, leitete ein Team, das die hochauflösenden Bilder von Compton-Belkovich untersuchte.
Was sie sahen, „sah verdächtig nach einer Caldera aus“, sagte Dr. Jolliff und bezog sich dabei auf die Überreste eines Vulkanrandes. „Wenn man bedenkt, dass diese Merkmale Milliarden Jahre alt sind, sind sie bemerkenswert gut erhalten.“
Eine neuere Analyse unter der Leitung von Katherine Shirley, jetzt an der Universität Oxford in England, schätzte das Alter des Vulkans auf 3,5 Milliarden Jahre.
Da der Mondboden als guter Isolator fungiert und die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht dämpft, spiegeln die Mikrowellenemissionen größtenteils den Wärmefluss aus dem Mondinneren wider. „Man muss nur etwa zwei Meter unter die Oberfläche gehen, um die Hitze der Sonne nicht mehr zu sehen“, sagte Dr. Siegler.
In Compton-Belkovich betrug der Wärmefluss bis zu 180 Milliwatt pro Quadratmeter, was etwa dem Zwanzigfachen des Durchschnitts für das Hochland auf der Rückseite des Mondes entspricht. Dieses Maß entspricht einer Temperatur von minus 10 Grad Fahrenheit etwa 1,80 m unter der Oberfläche oder etwa 90 Grad wärmer als anderswo.
„Dieser stach heraus, da er im Vergleich zu anderen Orten auf dem Mond einfach glühend heiß war“, sagte Dr. Siegler.
Um so viel Wärme und Thorium-Gammastrahlen zu erzeugen, kamen Dr. Siegler, Dr. Feng und die anderen Forscher zu dem Schluss, dass Granit, der radioaktive Elemente wie Thorium enthält, die wahrscheinlichste Quelle sei und dass es eine Menge davon geben müsse.
„Es scheint genauer zu bestimmen, welche Art von Material sich wirklich darunter befindet“, sagte Dr. Lawrence, einer der Gutachter des Artikels für Nature.
„Es ist so etwas wie die Spitze des Eisbergs“, sagte er über die ursprünglichen Gammastrahlenemissionen. „Was man bei Compton-Belkovich sieht, ist eine Art oberflächlicher Ausdruck von etwas viel Größerem darunter.“
Auch anderswo auf dem Mond ist Vulkanismus zu beobachten. Ebenen aus erstarrter Lava – die Mare oder Meere aus Basalt – bedecken weite Teile der Oberfläche, meist auf der gegenüberliegenden Seite. Aber Compton-Belkovich ist anders und ähnelt bestimmten Vulkanen auf der Erde, wie dem Mount Fiji und dem Mount St. Helens, die zähflüssigere Lava spucken.
Granit scheint anderswo im Sonnensystem knapp zu sein. Auf der Erde entsteht Granit in vulkanischen Regionen, in denen ozeanische Kruste durch Plattentektonik, die geologischen Kräfte, die Teile der äußeren Erdkruste umherschieben, unter einen Kontinent gedrückt wird. Wasser ist auch ein wichtiger Bestandteil von Granit.
Aber der Mond ist größtenteils trocken und es fehlt ihm die Plattentektonik. Das Mondgestein, das vor mehr als 50 Jahren von NASA-Astronauten zurückgebracht wurde, enthielt nur wenige Granitkörner. Die Daten der chinesischen Orbiter deuten jedoch auf eine mehr als 30 Meilen breite Granitformation unterhalb von Compton-Belkovich hin.
„Jetzt müssen die Geologen herausfinden, wie man ein solches Merkmal auf dem Mond ohne Wasser und ohne Plattentektonik erzeugen kann“, sagte Dr. Siegler.
Dr. Jolliff, der nicht an der Forschung beteiligt war, sagte, das Papier sei „ein sehr schöner neuer Beitrag“. Er sagte, er hoffe, dass die NASA oder eine andere Raumfahrtbehörde ein Raumschiff für seismische und mineralogische Messungen nach Compton-Belkovich schicken würde.
Eine solche Mission könnte dazu beitragen, Ideen darüber zu testen, wie dort überhaupt ein Vulkan entstanden ist. Eine Hypothese besagt, dass eine Wolke aus heißem Material aus dem Erdmantel unter der Erdkruste aufstieg, ähnlich wie es unter den Hawaii-Inseln der Fall ist.
Für Dr. Feng läuft sein derzeitiges Visum, das ihm eine Arbeit in den Vereinigten Staaten erlaubt, bald ab. Er bewirbt sich um eine neue Stelle und steuert seine wissenschaftliche Karriere inmitten geopolitischer Auseinandersetzungen zwischen den USA und China.
„Wir beginnen jetzt, andere potenzielle Granitsysteme auf dem Mond zu untersuchen“, sagte er. „Außerdem werden wir unsere Modelle erweitern, um die eisigen Monde des Jupiter zu erkunden. Deshalb versuche ich, so lange wie möglich in den Vereinigten Staaten zu bleiben.“