GRAIL entdeckt eine ungleichmäßige Reaktion des Mondinneren auf Gezeiten

Der Mond ist geschichtet — in Kruste, Mantel und Kern — und weist deutliche Unterschiede zwischen der der Erde zugewandten und der abgewandten Hemisphäre auf. Zu den bekannten Asymmetrien zählen Relief, Krustendicke, Geologie und die oberflächennahe Konzentration radioaktiver Elemente. Eine in Nature veröffentlichte Studie nutzte einen anderen Ansatz, um zu untersuchen, ob diese Unterschiede auch bis in das tiefe Innere reichen: Sie maß, wie die Mondgravitation auf die von der Erde verursachten Gezeiten reagiert.

Das Hauptergebnis ist eine Schätzung von k3 = 0,0163 ± 0,0007, einer gravitativen Love-Zahl dritten Grades. Die Autoren geben an, dass sie etwa 72 % über dem für ein kugelsymmetrisches Mondinneres erwarteten Wert liegt. Ihre Analyse deutet diese Reaktion als Hinweis auf laterale Heterogenität im tiefen Inneren. Der von ihnen vermutete Temperaturunterschied zwischen den Hemisphären wurde dagegen nicht direkt gemessen, sondern mithilfe von Modellen abgeleitet.

Wie die Gravitation Einblicke ins Innere ermöglicht

Die Mondbahn ist elliptisch und gegenüber der Erde geneigt. Daher verursacht die Anziehungskraft der Erde periodische Gezeitenkräfte. Die Reaktion des Mondes auf diese Wechselwirkung führt zu vorübergehenden Veränderungen seines Gravitationsfeldes, die empfindlich auf die innere Struktur des Himmelskörpers reagieren.

Die Love-Zahl beschreibt das Verhältnis zwischen dem durch die Verformung des Mondes hervorgerufenen Gravitationspotential und dem von der Erdgravitation aufgeprägten Potential. Einfach ausgedrückt quantifiziert sie, wie der Mond auf diesen periodischen Zug reagiert. Die Autoren weisen darauf hin, dass die statische Gravitation besonders empfindlich auf Strukturen der oberen Kruste reagiert, während die zeitlich veränderliche Gravitation mit großer Wellenlänge sehr empfindlich auf tiefe Asymmetrien im Mantel ist. Die Analyse der gezeitenbedingten Veränderungen bietet daher eine Möglichkeit, Regionen zu untersuchen, die nicht direkt beobachtet werden können.

Die Daten von Ebb und Flow

Die Studie rekonstruierte das zeitlich veränderliche Mondgravitationsfeld anhand radiometrischer Satelliten-zu-Satelliten-Trackingdaten sowie Daten des Deep Space Network (DSN), des Kommunikations- und Verfolgungsnetzwerks der NASA. Die Daten wurden von GRAIL erhoben — kurz für Gravity Recovery and Interior Laboratory —, einer Mission mit zwei Orbitern, Ebb und Flow, die eine primäre und eine erweiterte Phase umfasste.

Die Analyse bezog Daten aus beiden Phasen ein. Die Forscher führen den höheren k3-Schätzwert im Vergleich zu früheren Studien hauptsächlich auf die Einbeziehung von Daten aus niedriger Höhe während der erweiterten Mission zurück: Diese Daten verbesserten die gravitativen Informationen und verringerten die Korrelationen zwischen den Feldkoeffizienten und den Love-Zahlen. Zum Vergleich ergab eine Beschränkung der Analyse auf Daten aus der primären Phase k3 = 0,0098 ± 0,0021, ein Ergebnis, das mit den in der Studie zitierten früheren Schätzungen vereinbar ist.

Was die Schätzung aussagt — und was sie nicht direkt misst

Der k3-Wert liegt etwa 72 % über der Vorhersage für einen kugelsymmetrischen Mond. Um diesen Unterschied zu erklären, vermuten die Autoren, dass sich der elastische Schermodul des Mantels — ein Maß für seinen Widerstand gegen Verformung — zwischen Vorder- und Rückseite um etwa 2–3 % unterscheiden könnte. Diese Erklärung macht die Gravitationsmessung zu einem Beobachtungshinweis auf laterale Heterogenität; die prozentuale Veränderung des Moduls ist jedoch eine Modellinterpretation und kein direkter Messwert des Instruments.

Die Studie schätzt außerdem, dass die Asymmetrie einer überwiegend im Mantel der Vorderseite liegenden thermischen Anomalie von etwa 100–200 K entsprechen könnte. Nach der Interpretation der Autoren hätte diese Anomalie vor 3 bis 4 Milliarden Jahren die Mondmeere an der Oberfläche gebildet. Die Mondmeere sind ausgedehnte dunkle Gebiete, die mit früheren Phasen vulkanischer Aktivität verbunden sind. Der Temperaturwert ist daher als Rückschluss auf das Innere zu verstehen, der auf der Gravitationsreaktion und den verwendeten Modellen beruht, nicht als direkte Messung der Manteltemperatur.

Ein weiteres Puzzlestück in einer offenen Frage

Die Unterschiede zwischen den Mondseiten waren bereits bekannt, ihr Ursprung ist jedoch weiterhin umstritten. Zu den in früheren Studien erwogenen Vorschlägen gehört, dass die ungleiche Verteilung wärmeerzeugender radioaktiver Elemente langfristige Temperaturunterschiede aufrechterhalten und zur Konzentration des Vulkanismus auf der Vorderseite beigetragen haben könnte. Die GRAIL-Analyse bietet eine Möglichkeit, die mit dieser Asymmetrie verbundene Tiefenstruktur zu untersuchen; für sich allein beantwortet sie nicht alle Fragen nach deren Entstehung.

Die Autoren weisen außerdem darauf hin, dass die asymmetrische Struktur die räumliche Verteilung tiefer Mondbeben beeinflussen könnte. Sie stellen dies als mögliche Folge dar, nicht als einen durch die k3-Schätzung nachgewiesenen Effekt. Insgesamt zeigt das Ergebnis, wie zeitliche Veränderungen der Gravitation Informationen über den Mantel liefern können: Eine Messung aus dem Orbit gibt Hinweise auf innere Unterschiede zwischen den Hemisphären, während ihre Übertragung auf Temperatur und geologische Geschichte von der Interpretation der Modelle abhängt.