Die Menschheit existiert, weil es ordentlich geknallt hat. Und zwar mehrfach: In den Geburtsstunden des Sonnensystems erwuchsen aus Staubteilchen erst kleine Brocken und schließlich große Asteroiden. Die massigen Körper krachten immer wieder zusammen und verschmolzen zu etwas Neuem. Letztlich blieben nur wenige planetare Abrissbirnen übrig, die konsequent ihre Bahn um die Sonne freiräumten: Eine davon war die Erde vor rund 4,5 Milliarden Jahren.

Diese Theorie zur Erdentstehung ist wissenschaftlicher Konsens. Nur beantwortet sie längst nicht alle Fragen, etwa: Woher stammt das Wasser auf dem blauen Planeten? Denn worin Forscher ebenfalls übereinstimmen: Als die Erde sich formte, war es viel zu heiß für das Molekül. Theorien über seine Herkunft gibt es einige.

Gleich zwei aktuelle Nature-Studien stützen nun eine der neusten Theorien, laut der Jupiter eine entscheidende Rolle spielt (Fischer-Gödde & Kleine, 2017 / Dauphas, 2017). Wasser und andere flüchtige Stoffe sind demnach nicht, wie bislang vermutet, erst spät durch Kometen und Asteroiden zur Erde gebracht worden, sondern bereits in der ersten Phase der Planetenentstehung.

Am Anfang war die Hitze

Als das kosmische Bombardement stattfand, herrschten im inneren Sonnensystem Temperaturen, bei denen Wasser nur gasförmig vorkam. Dieses Gas aber konnten die jungen, unfertigen Planeten nicht anziehen. Stattdessen blies der starke Sonnenwind es hinfort in die Tiefen des Weltraums. Erst später soll die lebenswichtige chemische Verbindung H2O wieder aus dem äußeren, kalten Sonnensystem zurückgekommen sein. Nur wann? Und wie?

Die Studie der Planetologen Mario Fischer-Gödde und Thorsten Kleine von der Universität Münster liefert jetzt Hinweise darauf, dass eine seltsame Bewegung des Planeten Jupiter es innerhalb der ersten Millionen Jahre des Sonnensystems zurück zur Erde katapultiert hat. Sie widersprechen damit einer verbreiteten Theorie, laut der Wasser erst im letzten Abschnitt der Erdentstehung vor 4,4 bis 3,9 Milliarden Jahren über Meteoriten und Asteroiden auf die Erde gelangt ist. Ihr wichtigstes Indiz: das seltene Element Ruthenium.

Das Material hat eine besondere Eigenschaft. Es ist eisenliebend, siderophil, wie Forscher sagen, und deshalb in der Anfangszeit des Planeten größtenteils zum eisenhaltigen Erdkern gesunken. Doch noch heute findet sich Ruthenium in Schichten der Erdkruste und des Erdmantels. Perfekt für Fischer-Gödde und Kleine, denn es weiß damit, aus der jüngeren Erdgeschichte zu erzählen.

Jupiter auf Wanderschaft

Irdisches Ruthenium hat eine spezielle Zusammensetzung. Es besteht aus Atomen mit einer unterschiedlichen Neutronenzahl, Isotopen, und besitzt damit eine Art chemischen Fingerabdruck, den das Team mit dem Ruthenium in jungen Meteoriten vergleichen konnte.

Je nach Herkunft der Meteoriten, die Überbleibsel des jungen Sonnensystems sind, ist auch ihr Ruthenium anders zusammengesetzt: Wasserhaltige Kometen aus dem äußeren Sonnensystem haben einen anderen Fingerabdruck als trockene Meteoriten aus dem inneren Sonnensystem. Die Herkunft des Erdmantels aus dem letzten Abschnitt der Erdentstehung kann damit klar bestimmt werden.

Die Ergebnisse von Fischer-Gödde und Kleine zeigen: Der Erdmantel stammt von Meteoriten aus der Familie der Enstatit-Chondriten. Wasserreiche Objekte aus dem äußeren Sonnensystem waren offenbar nicht eingeschlagen.

"Da wir ausschließen können, dass das Wasser mit den Meteoren auf die Erde gekommen ist, muss es eben vorher da gewesen sein", sagt Thorsten Kleine. Seine Untersuchungen stützen damit das erst vor wenigen Jahren postulierte Grand-Tack-Modell (PNAS: Batygin & Laughlin, 2015).

Demnach driftete der junge Jupiter zum inneren Sonnensystem; verantwortlich dafür war ein Effekt in der Gashülle des Planeten. Als später der Saturn entstand, wurde er jedoch wieder nach außen, auf seine heutige Bahn, gezogen. Während der Gasriese auf seinem Hinweg Gesteinsmaterial in die Sonne drängte, katapultierte er auf seinem Rückweg hingegen Meteore und Wasser aus dem äußeren Sonnensystem Richtung Erde. "Damit wären zu einer bestimmten Zeit viele wasserreiche Meteore zur Erde befördert worden", sagt Kleine. Und zwar eher früher als später im Lauf der Erdgeschichte.

Wasserlose Meteore formten die Erde

Unterstützung bekommen der Planetologe und sein Kollege durch eine aktuelle Studie von Nicolas Dauphas von der Universität Chicago. Auch der amerikanische Forscher griff die Ruthenium-Idee auf und wendete sie gleich auf mehrere Elemente an. Alle kommen sowohl in der Erde als auch in Meteoriten vor. Anders als die deutschen Wissenschaftler prüfte er seine Annahmen allerdings nicht an echten Weltraumbrocken, sondern entwickelte aus bisherigen Studien ein mathematisches Modell über den Ursprung des Erdmaterials. 

Demnach entstand die Erde in zwei Phasen. Im ersten Schritt waren wenige wasserreiche Meteore aus dem äußeren Sonnensystem – rund ein Zehntel der damaligen Erdmasse – und viele wasserlose Enstatit-Chondriten das Baumaterial. Im zweiten Schritt gab es gar keine wasserreichen Meteore mehr, ausschließlich Enstatit-Chondriten klumpten sich zur Erde zusammen.

Daten von Kometen fehlen

Das Problem: Alle Forscher haben nur Meteorite untersucht, also Himmelskörper, die auf die Erde gestürzt sind. "Wir nehmen an, dass das Verhältnis der Ruthenium-Isotopen immer weniger dem der Erde entspricht, je weiter weg Kometen von der Sonne entstehen", sagt Kleine. "Damit schließen wir äußere Himmelskörper als Wasserträger in der letzten Phase der Erdentstehung aus." Sollten wider Erwarten weit draußen im Sonnensystem Kometen existieren, die dieselben Ruthenium-Isotopen wie die der Erde haben, würde das Modell nicht mehr funktionieren.

Was also fehlt, um das Rätsel um die Quelle des irdischen Wassers zu lösen, sind verlässliche Daten von ebensolchen Himmelskörpern. Liefern könnten sie Expeditionen zu Kometen. Da die Rosetta-Mission der Europäischen Raumfahrtagentur noch nicht genügend Daten geliefert hat, setzen Forscher auf künftige Projekte. Beschlossen ist solch eine Mission offiziell allerdings noch nicht.