AstroGeo - Geschichten aus Astronomie und Geologie

Im Herbst 1948 steigen zwei Männer auf einen Berg in den schottischen Highlands. Der eine ist Schweizer und hat gerade seine Doktorarbeit geschrieben. Der andere ist angesehener Geologie-Professor aus Kanada. Am Gipfel kommt es zu einem geschichtsträchtigen Dialog. Denn der junge Schweizer fragt seinen älteren Begleiter: Könnte an dieser einen Idee nicht doch etwas dran sein – nämlich, dass sich Kontinente auf der Erde bewegen? Die Antwort ist eindeutig: Der kanadische Professor lacht herzlich und sagt, all das sei nur Fantasie und physikalisch unmöglich.

In dieser Folge erzählt Karl von einer merkwürdigen Zeit in der Geschichte der Geowissenschaften. Schon im Jahr 1912 hatte Alfred Wegener seine Idee der Kontinentaldrift vorgestellt. Doch obwohl bald viele Forscher aus Europa mit der Idee der wandernden Kontinente sympathisierten, waren es in den 1960er Jahren Geologïnnen aus Nordamerika, die die moderne Theorie der Plattentektonik entwickelten. Darunter war nicht zuletzt auch jener Professor aus Kanada, der über die Idee der Kontinentalverschiebung zunächst nur herzlich gelacht hatte.

Eigentlich hatten die Alpengeologen bereits alle Zutaten zusammen: Etwa der Österreicher Otto Ampferer, der noch vor Alfred Wegener einen physikalischen Prozess skizziert, den er Unterströmung nennt und der erklären kann, warum sich die starren Gesteine der Erdkruste seitlich bewegen können. Ampferer ist es auch, der später das Prinzip der Subduktionszonen erdenkt, bei der feste Krustenplatten übereinander gleiten. Er hat selbst selbst das Prinzip der mittelozeanischen Rücken beschrieben, bei der sich die Erde entlang langer Spalten am Meeresgrund weitet und so neue Erdkruste entsteht.

Warum die Plattentektonik in den 1960er Jahren schließlich von Forscherinnen und Forschern in den USA zu einer vollwertigen Theorie weiterentwickelt wird? Das liegt an neuen physischen Beweisen aus der Tiefsee – und vielleicht an der überschaubaren Marine der Alpenländer.

Während Sterne wie unsere Sonne ihre Entwicklung recht unspektakulär als Weiße Zwerge beenden, erwartet massereichere Sterne ein weitaus spannenderes Schicksal: Sie enden als Neutronensterne oder gar als Schwarze Löcher. Doch bevor es soweit ist, explodieren sie als Supernova – und hier findet das eigentliche Spektakel statt: Für kurze Zeit können diese Sterne so hell leuchten wie ihre gesamte restliche Heimatgalaxie. Explodiert eine solche Supernova in der Milchstraße, könnte sie sogar hell genug aufleuchten, um mit bloßem Auge am Tageshimmel sichtbar zu sein.

Irgendwann wird es auch für den Stern Beteigeuze so weit sein: Bislang kennen und schätzen wir ihn als Schulterstern des prominenten Wintersternbilds Orion. Er ist einer der hellsten Sterne am gesamten Himmel. Beteigeuze ist schon kein „normaler“ Stern mehr, sondern ein Roter Überriese – ein Stern, der seine Entwicklung schon bald beenden wird und von dem sich Forschende sicher sind, dass er in den nächsten paar Millionen Jahren als Supernova explodieren wird.

Aber was wäre, wenn Beteigeuze am Ende seiner Entwicklung nicht explodieren würde – sondern einfach so, heimlich, still und leise, vom Himmel verschwinden würde? Wenn er also nicht erst als Supernova explodiert, sondern einfach direkt zu einem Schwarzen Loch kollabiert?

In dieser Folge erzählt Franzi von potenziell gescheiterten Supernovae. Bislang ist unklar, ob es solche „Un-Novae“ überhaupt gibt – Supernova-Explosionen, die aus irgendeinem Grund ausfallen. Es gibt einige Indizien, die dafür sprechen, dass es solche gescheiterten Supernovae geben könnte. Doch wie sucht man nach etwas, das sich dadurch auszeichnet, das es nicht stattfindet? Die Suche ist eine astronomische Fleißarbeit – doch kürzlich verkündeten Forscherinnen und Forscher, das ihnen genau das gelungen sei: In der Andromedagalaxie soll ein Himmelskörper mit der Bezeichnung M31-2024-DS1 direkt zum Schwarzen Loch kollabiert sein – ohne als Supernova zu explodieren.

Im 18. Jahrhundert galten die Alpen vielen als schrecklich und ihre Überquerung als Qual, die man, wenn überhaupt, schnell hinter sich brachte. Selbst auf die frühen Geologen wirkten die hohen Berge und ihre Gesteine gleichermaßen unangenehm und unübersichtlich. Was bedeuteten die geschichteten, gestapelten und gefalteten Gesteine? Wie waren sie in ihre heutige Lage gelangt? Wieso ist dort ein solches Gebirge entstanden?

Karl beginnt eine mehrteilige Reise durch die Geschichte der Alpenforschung. In dieser ersten Folge geht es um eine natürliche Arena, die heute Tektonikarena Sardona heißt. Sie liegt zwischen den Schweizer Kantonen Glarus und Graubünden und ist mittlerweile weltberühmt. Es ist eine Gegend, die Forschern schon vor über 200 Jahren aufgefallen war. Denn dort gibt es etwas, das in der Natur eigentlich unmöglich zu sein schien: Alte Gesteine liegen auf neuen. Der Berg steht quasi verkehrt herum – und das verlangte eine Erklärung.

Die Arena mitten in den Alpen ist etwas Besonderes, denn hier offenbart sich der geologische Bauplan des Gebirges. Bis dieser Plan entschlüsselt werden konnte, mussten die Forscher die Berge über ein Jahrhundert lang durchstreifen, ihre Messungen in Karten eintragen und die ermittelten Daten dann zum großen Ganzen zusammenfügen. Dabei mussten sie auch Hürden überwinden. Denn nicht nur das Gestein hat seine Eigenheiten, sondern auch das Ego der beteiligten Forscher, was die Lösung des Rätsels über Jahrzehnte zurückhielt.

Erst im Jahr 1903 einigte man sich – und es ergab sich zum ersten Mal ein schlüssiges Bild: Demnach wurden Gesteine nicht nur verformt oder gefaltet. Vor allem wurden sie in sogenannten Decken übereinander geschoben. Die Architektur der Alpen und vieler anderer Gebirge war verstanden – und auch die Schichtenfolge im Osten der Schweiz erhielt ihren heutigen Namen und ihren Weltruhm: die Glarner Hauptüberschiebung. Eine maßstäbliche Kopie findet sich heute im Museum of Natural History in New York. Seit 2008 gehört die Bergkette zum Weltnaturerbe der UNESCO.

Episodenbild: CC-BY-SA 4.0 ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv / Com_FC35-0002-082

In dieser Folge widmen sich Franzi und Karl dem Feedback zu den letzten beiden Geschichten im AstroGeo Podcast. Besonders gefallen hat ihnen die E-Mail einer Hörerin, deren Fantasie so sehr angeregt wurde, dass sie sich nun als Teil „eines unwahrscheinlich kleinen und zufälligen Teil eines riesigen und unfassbaren Zusammenhangs“ sieht. Herzlich willkommen in der Welt von AstroGeo!

Karl spricht über die korrekte Terminologie rund um Meteoroiden, Meteore, Meteoriten und Boliden. Das ist nämlich ein wenig mühsam: Ein Meteoroid ist ein kleinerer Gesteins- oder Eisbrocken auf einer Sonnenumlaufbahn. Tritt er in die Erdatmosphäre ein, wird er zum Meteor – gerne auch Sternschnuppe genannt. Und schaffen es Bruchstücke bis zur Erdoberfläche, heißen sie schließlich Meteoriten. Auch geht es nochmal darum, auf welchen Größenskalen die Ausdehnung des Universums stattfindet – ob nur jenseits von Galaxien oder auch auf dem Maßstab von Sternen, Planeten oder Atomen.

Dann geht es zurück in der Zeit, zu den ersten Sternen im Universum. Sie sind irgendwo da draußen, aber gefunden hat sie noch niemand. Franzi taucht dafür in die Prozesse ab, bei denen Sterne neue Elemente erbrüten: die Kernfusion von masseärmeren zu -reicheren Elementen. Genau jene massereicheren Elemente, von Astronominnen und Astronomen auch unter dem Sammelbegriff „Metalle“ abgehakt, sollte es nämlich in den sogenannten Sternen der Population III überhaupt nicht geben.

Zur Entstehung des Mondes gab es eine lebhafte Diskussion. Es ging erst einmal um den Befund selbst: Wie sicher ist es, dass ein marsgroßer Planet namens Theia mit der Protoerde zusammenstieß? Es geht um mögliche Szenarien für die Zeit danach, zum Beispiel, dass sich erst zwei Monde gebildet haben, die schließlich auch zusammenstießen und den heutigen Erdmond formten.

Karl erklärt auch die Europium-Anomalie, die als wichtiges Argument für den großen Einschlag gilt: Über den Gehalt des Seltenen Erd-Elements in den Mond-Hochländern und den vulkanischen Mare-Ebenen lässt sich belegen, dass der Mond schon vor der Bildung der großen Einschlagbecken über einen globalen Magmaozean verfügt haben muss.

Abschließend gibt es allgemeines Feedback zur Nutzung des Podcasts (nicht nur, aber auch zum Einschlafen), zu Wissen und Unwissen bei astrophysikalischern Modellen voller Dunkler Materie und Dunkler Energie sowie zum Einsatz KI-generierter Transkripte bei AstroGeo.

Episodenbild: Quelle: ESO/M. Kornmesser / CC-BY-SA 4.0 Rolf Hempel / Wikimedia Commons

Im Juni 1986 erlebten Planetenforscher einen Heureka-Moment. Denn sie waren zum ersten Mal einig, wie die Erde zu ihrem ungebührlich großen Mond gekommen ist. Diese Erklärung gilt bis heute als das wahrscheinlichste Szenario: Kurz nach der Entstehung der Erde vor rund 4,5 Milliarden Jahren stieß ein marsgroßer Planet mit der Protoerde zusammen. Aus dem verdampften Gestein, das dabei ins All geschleudert wurde, bildete sich wenig später der Mond.

Karl erzählt in dieser Folge, wie es zu diesem Heureka-Moment kam – denn nur wenige Jahre zuvor war die Forschungswelt noch hochgradig zerstritten, was die Entstehung des Mondes anging. Mindestens eine Handvoll Hypothesen war im Rennen. Man diskutierte, ob der Mond sich von der Erde durch allzu große Fliehkraft abgespalten hatte oder ob er friedlich an der Seite der Erde aus dem Urnebel gewachsen war. Andere glaubten an ein eingefangenes Objekt aus der kosmischen Nachbarschaft – oder sogar an eine natürliche, nukleare Explosion tief im Erdinneren nahe dem Erdkern.

Schon in den 1940er Jahren war dem kanadischen Geologen Reginald Daly aufgefallen, dass die mittlere Dichte des Mondes recht genau der Dichte des Erdmantels entspricht. Aber erst die astronautischen Mondlandungen des Apollo-Programms und die Proben verschiedener Raumsonden brachten ab 1969 Gewissheit: Erdmantel und Mond müssen aus dem gleichen Urmaterial entstanden sein. Gleichzeitig besitzt der Mond nur einen winzigen Eisenkern. Alles zusammen wirkte wie ein Sieb für die diversen Modelle der Mondentstehung. Übrig blieb am Ende nur der große Einschlag.

Trotz der klaren Hinweise bleiben bis heute einige Fragen offen. Zum Beispiel ist weiter unklar, warum zwar der Fingerabdruck der Sauerstoff-Isotope in Erdmantel und Mond sehr gut übereinstimmen – immerhin das häufigste Element von Erde und Mond – aber einige Spurenstoffe teilweise radikal abweichen. Dazu gehört der Anteil von Eisen und anderen Metallen, aber auch von flüchtigen Stoffe wie Wasser oder Kohlendioxid. Herausfordernd für die heutige Forschung ist vor allem das Wachstum des Mondes direkt nach dem großen Einschlag, bei dem es ziemlich heiß hergegangen sein muss.