🌊 Unsere Ozeane, ein spätes außerirdisches Geschenk?

Von Sylvain Laforet (Doktorand, Universität Lille) & Leroux Hugues (Professor, Universität Lille).

Die Mission Hayabusa2 brachte 2020 Staub vom Asteroiden Ryugu zur Erde zurück. Diese wenigen Gramm Proben, die zwischen wissenschaftlichen Teams in der ganzen Welt aufgeteilt wurden, liefern Hinweise auf den Ursprung des Wassers auf unserem blauen Planeten.


Unter den Planeten des Sonnensystems ist die Erde der einzige, der große Flächen mit flüssigem Wasser auf seiner Oberfläche aufweist. Diese Ozeane, die fast 70 % ihrer Oberfläche bedecken, ermöglichten das Entstehen und die Entwicklung des Lebens. Aber woher stammt all dieses Wasser? Und welche Prozesse führten zur Bildung der Ozeane?

Vor etwa 4,57 Milliarden Jahren entstand das Sonnensystem aus einer rotierenden Wolke aus Gas und Staub um die junge Sonne. Im Laufe der Zeit vereinte sich diese Materie unter der Wirkung der Schwerkraft und zahlreicher Kollisionen allmählich zu den Planeten... darunter auch die Erde.

Es gibt mehrere Szenarien, die sich nicht widersprechen, sondern einander ergänzen, um den Ursprung des Wassers auf dem späteren blauen Planeten zu erklären.

Eine dieser Hypothesen besagt, dass Wasser bereits in der Materie des protoplanetaren Scheibenmaterials vorhanden war, das akkrediert wurde, um unseren Planeten zu bilden. In diesem Fall könnte Wasser in Form von kleinen flüssigen Einschlüsse in den Mineralien eingeschlossen gewesen sein oder innerhalb der Struktur dieser Mineralien selbst vorhanden sein, relativ gleichmäßig verdünnt.


Eine andere Hypothese besagt, dass der Wassertransport zur Erde später durch den Aufprall von wasserreichen Kometen oder Asteroiden erfolgte. Aufgrund ihrer im Vergleich zu den Planeten relativ geringen Größe haben die Asteroiden keine hochtemperierten Ereignisse erlebt, die ihre Chemie verändert hätten. Daher haben sie sich seit ihrer Entstehung vor 4,57 Milliarden Jahren kaum weiterentwickelt.

Asteroiden als Marker der Entstehung des Sonnensystems

Während sich die terrestrischen Planeten nahe der Sonne (zwischen 0,4 und 1,5 astronomischen Einheiten, eine astronomische Einheit entspricht der Sonnenentfernung der Erde, etwa 150 Milliarden Kilometer) bildeten, sind Asteroiden hauptsächlich in weiter entfernten Regionen von der Sonne angesiedelt, insbesondere im "Asteroidengürtel" (2 bis 4,5 astronomische Einheiten).

Diese kälteren Regionen begünstigen die Ansammlung von Wassereis und silikathaltigem Staub, der die Entstehung von Asteroiden ermöglicht. Nach ihrer Bildung migrieren einige Asteroiden innerhalb des Sonnensystems, bis sie sich in sonnenähnlichen Bahnen befinden, die denen der Erde ähneln: das sind die erdnahen Asteroiden. Einer dieser Asteroiden, der kohlenstoffhaltige Ryugu (1 Kilometer Durchmesser), war das Studienobjekt der Weltraummission Hayabusa2, die von der japanischen Raumfahrtagentur (JAXA) zwischen 2014 und 2020 durchgeführt wurde.



Die Sonde untersuchte zunächst Ryugu aus der Nähe, sammelte dann in einem beeindruckenden Manöver Proben und kehrte anschließend zur Erde zurück. So landeten am 6. Dezember 2020 wenige Gramm Staub (5,4 Gramm) dieses Asteroiden in Australien an Bord einer Kapsel, und mit großer Freude erhielten wir an der Universität Lille einen winzigen Teil dieses Schatzes: nur wenige Körner, kaum mit bloßem Auge sichtbar, die vielleicht Schlüssel zur Antwort auf die Entstehung der Ozeane auf der Erde enthalten.

Beobachtungen im Nanometerbereich mit dem Elektronenmikroskop

Unsere Forschungsarbeit besteht darin, dieses Himmelsmaterial bis auf atomare Ebene zu entschlüsseln und nach dem geringsten Hinweis zu suchen! Das Instrument, das wir verwenden, um diese Ebene zu erkunden, ist ein Transmissionselektronenmikroskop. Es sendet einen Elektronenstrahl aus, der das Probenmaterial durchdringt.

Das Signal, das als Ergebnis der Wechselwirkung dieser Materie mit dem Elektronenstrahl aufgezeichnet wird, liefert uns strukturelle und chemische Informationen über die mineralischen Zusammenhänge, aus denen das Material besteht. Diese Technik ermöglicht es, Details bis auf den Nanometerbereich zu beobachten, das entspricht einem milliardstel Meter – was in etwa die Dicke eines Haares durch 100.000 geteilt ergibt.

Das "versteckte" Wasser von Ryugu

Die Untersuchungen der Proben vom Asteroiden Ryugu zeigen, dass sie relativ trocken sind, also nur sehr wenig Wassermoleküle H₂0 enthalten. Diese Proben bestehen jedoch hauptsächlich aus magnesium- und eisenreichen Tonmineralien, die über 70 % des Volumens des Asteroiden ausmachen.

Diese Tonminerale sind mikroskopisch kleine Strukturen, die aus übereinander gestapelten Schichten bestehen (die möglicherweise Wassermoleküle aufnehmen können), sogenannte "Phyllosilikate". Sie enthalten reichlich Hydroxylgruppen (-OH), die wesentliche Bausteine ihrer Kristallstruktur sind. Diese bestehen aus Sauerstoff und Wasserstoff, den gleichen Atomen, aus denen Wassermoleküle aufgebaut sind.


Eine der Ursachen für das Vorhandensein von Phyllosilikaten in den kleinen Asteroiden liegt in den Anfängen des Sonnensystems. Während der Entstehung des Letzteren vor etwa 4,57 Milliarden Jahren sammelten sich Staub und Eis allmählich an, bis sie Planeten, Asteroiden und andere Himmelsobjekte, wie Kometen, bildeten.

Auf kleineren Asteroiden wie Ryugu koexistierte der aus anhydrem (wasserfreiem) Silikatstaub bestehende Asteroid mit Wassereis. Kurz nach der Entstehung des Asteroiden erwärmt er sich durch die spontane Zersetzung radioaktiver Elemente, was dieses Wassereis zum Schmelzen bringt. Darauf folgt eine Phase der "wässrigen Veränderung", bei der dieses Wasser mit den umgebenden Silikaten reagiert, um die Phyllosilikate zu bilden, die wir heute in Ryugu beobachten.

Während der Bildung der Erde und kurz nach ihrer Entstehung könnten durch massive Einschläge von Asteroiden, ähnlich denen von Ryugu, beträchtliche Mengen an Phyllosilikaten auf die Erde gelangt sein. Infolgedessen konnten Hydroxylgruppen (-OH) aufgrund von Hochtemperaturereignissen auf der Erde aus der mineralogischen Struktur der Tone freigesetzt werden und Wassermoleküle bilden:

Die starken Asteroideneinschläge, die die Erde in ihren jungen Jahren erlebte, hätten somit erheblich zur schrittweisen Bildung der Ozeane beigetragen.

Wasser... aber nicht nur das!

Der Asteroid Ryugu besteht also zu über 70 % aus Phyllosilikaten, enthält jedoch auch ein paar Prozent organisches Material (etwa 5 bis 7 % in der Masse).

Dieses Material, das aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff besteht, enthält Moleküle, die für die Entwicklung des Lebens auf der Erde notwendig sind: Aminosäuren. Diese kurzen Moleküle sind die grundlegenden Bausteine, die an der Struktur von Proteinen beteiligt sind. Obwohl sie nur in geringer Menge in Ryugu vorkommen, deutet ihre Anwesenheit darauf hin, dass kohlenstoffhaltige Asteroiden die nötigen Zutaten für die Entwicklung des Lebens auf der Erde vor etwa 3,8 Milliarden Jahren liefern konnten.