Der Mond hat heute kein Magnetfeld mehr - im Gegensatz zur Erde. Auf unserem Planeten erzeugt die Bewegung von flüssigem Eisen im äusseren Kern ein globales, magnetisches Feld. Dieser sogenannte Geodynamo funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie ein Dynamo am Velo, der mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandelt. «Heutzutage wird heftig darüber debattiert, ob der Mond in der Vergangenheit ebenfalls einen Dynamo betrieben hat», sagt Xi Yang, Doktorand am Departement Erd- und Planetenwissenschaften der ETH Zürich. Denn die Analyse von Gesteinsproben, welche die Apollo-Astronauten zur Erde zurückgebracht haben, sind widersprüchlich.

Manche Forschende gehen von einem starken Magnetfeld aus, das über einen langen Zeitraum vor 4,25 bis 3,5 Milliarden Jahre existiert hat, andere hingegen finden keine Hinweise darauf», sagt die Geophysikerin Anna Mittelholz, die am selben Departement Dozentin ist. Zudem gibt es für das magnetisierte Mondgestein neben der Dynamo-Theorie noch eine zweite, mögliche Erklärung: Einschläge von massiven Meteoriten oder Asteroiden könnten auf dem Mond die Magnetisierungsprozesse ausgelöst haben.

Eine Studie der beiden ETH-Forschenden in Zusammenarbeit mit Kolleg:innen am Institut für Weltraumforschung, DLR, und der TU Berlin spricht nun für die Dynamo-Theorie. Sie kommt zum Schluss, dass der Mond vor 4,2 Milliarden Jahren, also einige hundert Millionen Jahre nach seiner Entstehung, tatsächlich ein intern erzeugtes Magnetfeld besass. Die Forschenden stützen sich dabei nicht auf Gesteinsproben, sondern auf Daten, die Sonden in der Mondumlaufbahn gesammelt haben, so auf Schwerkraftmessungen der NASA-Sonden Grail und auf Magnetfeldmodelle, die auf Messungen aus dem Orbit der Missionen Lunar Prospector und Kaguya basieren.

Fenster zur inneren Struktur

Im Fokus steht eine spezielle Region namens Dewar auf der Rückseite des Mondes, die wir von der Erde aus nie zu Gesicht bekommen. «Die Dewar-Region ist ein Glücksfall: Dort fallen eine der stärksten Magnetfeldanomalien der Mondrückseite und eine deutliche Schwerefeldanomalie räumlich zusammen», sagt Mittelholz. Das heisst, in dieser Region befindet sich Gestein, das stärker magnetisiert und gleichzeitig dichter ist als anderswo. «Das ist einer der Gründe, weshalb diese Region ein potenzielles Fenster für die Erforschung der inneren Struktur ist», sagt Yang.

Meist ist der Ursprung der aus der Mondumlaufbahn gemessenen Magnetfeldanomalien unbekannt. «Die Schwerefelddaten geben uns jedoch Zugang zur Dichte und damit zum Material im Untergrund», erklärt Mittelholz. «Wo Magnetfeld- und Schweresignal zusammenfallen, kann man beides kombinieren und die Anomalie einer konkreten geologischen Struktur zuordnen. Genau diese Chance bot Dewar.» Und sie wurde von den Forschenden genutzt: Erstmals erstellten sie aus der gemeinsamen Verarbeitung von Schwerefeld- und Magnetfelddaten ein passendes Modell des Untergrunds.

Das Resultat: In der Dewar-Region liegt unter der Mondoberfläche ein rund 60 Kilometer breiter Gesteinskörper, der bis in etwa neun Kilometer Tiefe reicht. Er ist deutlich dichter als die umgebende Kruste und zugleich stark magnetisiert. Zusammen mit der Geochemie an der Oberfläche und einer aufgewölbten Topografie, schliessen die Forschenden, dass es sich dabei um erstarrtes Magma handelt, das aus dem Untergrund aufgestiegen ist – ein begrabener Vulkankomplex. Das Alter der Struktur – 4,2 Milliarden Jahre – lässt sich aus den verschiedenen Ablagerungen von Einschlagmaterial auf der Mondoberfläche ablesen.

Erstaunlich starkes Magnetfeld

«Weil wir wissen, wie viel Eisen in einem solchen Gesteinskörper überhaupt zur Verfügung steht, können wir abschätzen, wie stark das Magnetfeld beim langsamen Abkühlen des Magmas mindestens gewesen sein muss. Das ist für mich eine wichtige Aussage», sagt Mittelholz. Und Yang ergänzt: «Wir haben herausgefunden, dass das Magnetfeld auf dem Mond damals sehr wahrscheinlich stärker als 10 Mikrotesla war. Auf der heutigen Erde beträgt die Magnetfeldstärke etwa 50 Mikrotesla.»

Dass ein heftiger Aufprall dieses Magnetfeld verursacht haben könnte, schliessen die Forschenden aus. Denn die Dewar-Region liegt ausserhalb der Gebiete, die dafür in Frage kommen. «Deshalb können wir fast sicher sein, dass das Magnetfeld von einem länger andauerndem, im Kern erzeugten Dynamo stammen muss», sagt Yang.

Offen bleibt allerdings, wie der kleine Mondkern ein so starkes Magnetfeld erzeugt haben soll. Deshalb halten auch die ETH-Forschenden die Frage nach der Existenz eines frühen, lunaren Dynamos noch nicht für vollständig geklärt. «Wir beleuchten sie aber von einer komplett neuen Perspektive aus», sagt Mittelholz. So frage man nicht mehr «Gab es einen Dynamo?», sondern «Wie hat er funktioniert?».

Rätselhafte Mondwirbel

Die Studie liefert zudem Erkenntnisse zu einem anderen, rätselhaften Phänomen, den Mondwirbeln, englisch «Lunar Swirls» genannt. Diese hellen, geschwungenen oder streifenförmigen Muster auf der Mondoberfläche heben sich deutlich von ihrer dunkleren Umgebung ab. Wo sich ein solcher Swirl abzeichnet, finden Forschende immer eine magnetische Anomalie. Auch in der Dewar-Region liegt an der Oberfläche ein Mondwirbel oberhalb der beobachteten Anomalie. Die Entstehung der Swirls ist umstritten.

Eine mögliche Erklärung: Wirbel entstehen nur dort, wo das Magnetfeld an der Oberfläche horizontal verläuft, wie beim Dewar-Swirl. Das horizontale Feld lenkt den Sonnenwind ab und schützt so die Oberfläche vor Verwitterung. Dadurch bleibt diese heller als die Umgebung. «Dies ist eine wichtige Information für künftige Astronauten», sagt Mittelholz: «Magnetische Feldlinien könnten Schutz vor Sonnenwinden bieten und Swirls zeigen Orte solcher Konstellationen auf.»

Die Ergebnisse der Forschenden sollen zudem künftigen Mondmissionen dienen, wenn es um die Auswahl vorrangiger Ziele für Messungen vor Ort geht, und sie können bei der Untersuchung von Mondproben helfen, um Rückschlüsse auf die magnetische Entwicklungsgeschichte des Mondes zu ziehen. «Die Methode könnte auch bei anderen Himmelskörpern eingesetzt werden, um allein anhand von Daten aus einer Umlaufbahn Informationen über einen planetaren Dynamo zu erhalten», sagt Yang. Interessant wäre beispielsweise der Mars, allerdings fehlen da zurzeit noch Daten von genügend hoher Qualität.