Die Herkunft der Erde: Ein kosmisches Materialrätsel

In der Planetenforschung wird seit langem intensiv über die Frage debattiert, aus welchem Baumaterial die Erde ursprünglich entstanden ist. Obwohl sich unser Heimatplanet im inneren Sonnensystem befindet, halten viele Fachleute es für wahrscheinlich, dass etwa 6 bis 40 Prozent dieser Materie aus den Regionen jenseits des Jupiters stammen. Diese Zufuhr aus dem äußeren Sonnensystem galt lange Zeit als unverzichtbare Voraussetzung, um flüchtige Stoffe wie Wasser auf die Erde zu bringen. Damit verbunden ist die Annahme, dass während der Erdformation ein massiver Materialaustausch zwischen den äußeren und inneren Zonen des Systems stattgefunden haben muss. In der Wissenschaft stellt man sich nun jedoch die entscheidende Frage: „Aber stimmt das wirklich?“

„Wir waren wirklich erstaunt“

Die Planetenforscher Paolo Sossi, Professor für experimentelle Planetologie, und Dan Bower von der ETH Zürich untersuchten die Isotopen-Verhältnisse verschiedener Meteoriten, unter anderem vom Mars und dem Asteroiden Vesta, und setzten diese in Bezug zur Erde. Isotope bezeichnen dabei Atome desselben Elements, die sich trotz identischer Protonenzahl durch ihre Neutronenanzahl in der Masse unterscheiden. Durch eine neuartige Auswertung dieser Daten gelangten die Wissenschaftler zu der Erkenntnis, dass das Baumaterial der Erde fast gänzlich aus dem inneren Bereich des Sonnensystems stammt. Der Anteil an Materie aus den äußeren Regionen lag bei der Entstehung unseres Planeten demnach unter zwei Prozent oder war gar nicht vorhanden.

„Unsere Berechnungen machen es deutlich: Das Baumaterial der Erde stammt aus einem einheitlichen Materialreservoir“, sagt Sossi. Und Kollege 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.“

Geochemie trifft Datenwissenschaft: Neue Einblicke in die Meteoritenforschung

In ihrer Untersuchung werteten zwei Forscher der ETH Zürich bereits vorliegende Daten zu zehn verschiedenen Isotopensystemen aus Meteoriten aus, indem sie diese mittels eines speziellen statistischen Verfahrens kombiniert analysierten. Damit unterscheidet sich ihr Ansatz deutlich von bisherigen Studien, die zumeist lediglich zwei Isotopensysteme berücksichtigten. „Unsere Studie ist eigentlich ein datenwissenschaftliches Experiment“, sagt Sossi. „Wir haben statistische Berechnungen vorgenommen, die in der Geochemie kaum je verwendet werden, obwohl sie ein mächtiges Instrument sind.“

Isotopenanalyse als Schlüssel zur Herkunft von Himmelskörpern

In der Forschung werden Isotope in Meteoriten bereits seit geraumer Zeit genutzt, um die Herkunft von Himmelskörpern innerhalb unseres Sonnensystems zu bestimmen. Während sich diese Analysen lange Zeit fast ausschließlich auf Sauerstoffisotope konzentrierten, entdeckte ein US-Forscher zu Beginn der 2010er-Jahre, dass sich auch die Isotope von Elementen wie Chrom und Titan für diesen Zweck eignen. Durch diese Erkenntnis lässt sich das Material heute präzise in zwei Klassen unterteilen: die im inneren Sonnensystem entstandenen, nicht-kohligen Meteoriten sowie die kohligen Meteoriten, die durch einen höheren Anteil an Wasser und Kohlenstoff charakterisiert sind und ihren Ursprung im äußeren Sonnensystem haben.

Einer neuen Analyse zufolge setzt sich die Erde vollständig aus nicht-kohligem Material zusammen, womit der bislang vermutete Austausch zwischen den beiden Materialreservoiren nicht nachweisbar ist. Dies belegt, dass die Erde in einem relativ statischen System wuchs, indem sie sich während ihres Entstehungsprozesses ihre kleineren Nachbarplaneten einverleibte. In der Konsequenz bedeutet dies zudem, dass die meisten flüchtigen Elemente wie Wasser bereits im inneren Sonnensystem vorhanden waren.

Jupiter als Materialschranke

Die Existenz zweier unterschiedlicher Materialreservoire in unserem Sonnensystem wird von der Forschung auf das schnelle Wachstum und die enorme Größe Jupiters während der Entstehungsphase zurückgeführt. Die Schwerkraft des Gasriesen riss eine Lücke in die protoplanetare Scheibe aus Gas und Staub, wodurch Jupiter verhinderte, dass Material aus dem äußeren Sonnensystem in den inneren Bereich eindrang. Wie dicht diese Barriere tatsächlich war, blieb lange unklar, doch eine aktuelle Analyse zweier ETH-Forscher belegt nun, dass wohl fast kein Material von jenseits des Jupiters in Richtung Erde floss. „Unsere Berechnungen sind sehr robust und stützen sich nur auf die Daten selbst, nicht auf physikalische Annahmen, da diese noch nicht vollständig verstanden sind“, betont Bower.

Die Ergebnisse zeigen zudem, dass die Erde hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung in einer direkten Linie mit Vesta und dem Mars steht, wobei die Forschenden dieselbe Verwandtschaft auch für Venus und Merkur vermuten. „Und aufgrund unserer Analyse können wir theoretisch auch die Zusammensetzung dieser beiden Planeten vorhersagen“, sagt Paolo Sossi. Eine analytische Überprüfung dieser Aussage ist derzeit jedoch noch nicht möglich, da von Merkur und Venus – den sonnennächsten Planeten des inneren Sonnensystems – bislang keine Gesteinsproben zur Verfügung stehen.

Neue Einblicke in die Geburtsstunde der Gesteinsplaneten

Paolo Sossi ist überzeugt: „Unsere Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Entstehungsgeschichte unserer Erde und die anderen Gesteinsplaneten“. In einem nächsten Schritt widmet er sich unter anderem der Frage, weshalb im heißen inneren Sonnensystem ausreichend Wasser für die Bildung der irdischen Ozeane existierte. Darüber hinaus untersuchen die Planetenforscher der ETH, inwiefern sich diese Prozesse auf Exoplaneten-Systeme übertragen lassen. Sossi betont jedoch, dass die Forschung hiermit nicht abgeschlossen ist: „Bis dahin werden Dan und ich 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“.

Quelle

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (04/2026)