Anhand der Aufnahmen, die bei der NASA-Mission «Dawn» entstanden, assoziiert der Betrachter den Asteroiden Vesta unweigerlich mit «totem» Gestein. Neuste Erkenntnisse zeigen jedoch, dass der Asteroid mit einem mittleren Durchmesser von etwa 516 Kilometern in seinem Inneren eine «bewegte Vergangenheit» hat. Anhand mineralogischer und kristallographischer Untersuchungen des Meteoriten «Northwest Africa 5480», einem sogenannten Diogeniten, der von Vesta stammt, fanden Forscher der Goethe Universität in Frankfurt Hinweise darauf, dass im Inneren von Vesta anfangs ähnliche dynamische Prozesse stattfanden, wie sie in Planeten vorkommen. Numerische Simulationen des Geophysikers Gregor Golabek mit dem Brutus-Cluster der ETH Zürich untermauern diese Hypothese.

Gesteinsbewegungen im jungen Asteroiden

Vesta ist bekannt dafür, dass er der einzige intakte Asteroid im Asteroiden-Hauptgürtel ist, der ähnlich aufgebaut ist wie die inneren Planeten unseres Sonnensystems. Nach heutigem Wissensstand besteht Vesta aus einem Eisenkern, einem Mantel und einer äusseren Kruste aus Basalt. Hinweise auf den geologischen Aufbau lieferte das Weltraumteleskop Hubble.

Beverley Tkalcec und Frank Brenker von der Goethe Universität in Frankfurt fanden nun bei der Untersuchung der Mineralien von «Northwest Africa 5480» heraus, dass sich Vesta nicht nur wie die Planeten in Kruste-Mantel-Kern differenziert hat, sondern dass es im Mantel von Vesta einst auch zu Umwälzungen und Materialtransport gekommen sein muss. Hinweis darauf geben die Ausrichtung der Kristallachse der Mineralien des Gesteins und die Anordnung von deren Kristallgittern.

Bei den Mineralien des Diogenit-Meteoriten fanden die Wissenschaftler durch eine spezielle Mikrostrukturanalyse ähnliche Verformungen, wie sie bei irdischem Mantelgestein vorkommen. Laut den Forschern wurde die Untersuchungsmethode erstmals auf einen Meteoriten angewendet. Damit konnten sie zeigen, dass der Diogenit-Meteorit nicht wie vermutet durch Akkumulation in einer Magmakammer in der unteren Kruste oder dem oberem Mantel von Vesta entstand. Auch schlossen sie aus, dass sich das typische Kristall-Muster der Kristalle von Olivin und Orthopyroxen durch eine Kollision mit einem anderen Himmelskörper einstellte. Die Mikrostrukturanalyse lässt vielmehr vermuten, dass die Mineralien nach ihrer Kristallisation teilweise in den Mantel absanken und dort bei Temperaturbedingungen zwischen 1000 und 1250 Grad Celsius mindestens zwei Mal deformiert wurden, schreiben die Forscher in ihrer Studie, die nun in Nature Geoscience publiziert wurde.

Simulationen bestätigen kristallographischen Befund

Um die unerwarteten Ergebnisse zu verifizieren, wandten sich die Wissenschaftler aus Frankfurt an Gregor Golabek, Oberassistent am Institut für Geophysik der ETH Zürich. Er ist spezialisiert auf Simulationen von Prozessen im Inneren von Planeten. Golabek fütterte seine numerische Simulationen mit den vorhandenen Daten, wie der Grösse des Asteroiden und dessen vermutetem Entstehungszeitraum. Anhand der Modelle konnte er überprüfen, ob Deformationen im erwarteten Temperatur- und Tiefenbereich möglich waren.

Golabeks Simulationen zeigen, dass auf dem Asteroiden Vesta in den ersten 50 Millionen Jahren nach seiner Entstehung sich im oberen Mantel auskristallisierte Bereiche bildeten, die grossräumig in den Mantel absanken. Die Forscher sind aufgrund dessen und der beobachteten Deformationen der Kristalle davon überzeugt, dass im teilweise aufgeschmolzenen Mantel von Vesta Umwälzungen stattgefunden haben müssen, ähnlich der Konvektionsströmungen, die heute im Erdmantel zu finden sind.

«Die Studie zeigt, dass die bisherigen Modelle der Entstehung der Gesteine der Vesta-Meteoriten überdacht werden müssen und grosse Asteroiden in ihrer Frühphase geologisch aktiv waren und planetenähnliche Prozesse aufwiesen», betont Golabek. Als Energiequelle für die Prozesse kommt für den Forscher in erster Linie das kurzlebige radioaktive Isotop Aluminium-26 in Frage, das mit einer Halbwertszeit von weniger als einer Million Jahre nur im frühen Sonnensystem existierte.

Meteorit stammt aus Vestas Krater

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass der von ihnen untersuchte Meteorit aus dem sogenannten Rheasilvia-Krater an Vestas Südpol stammt. Der grösste Krater Vestas ist das Ergebnis einer Kollision mit einem etwa 50 Kilometer grossen Himmelskörper. Die Kollision muss so heftig gewesen sein, dass Material, das auch solches aus dem oberen Mantel umfassen musste, aus dem Asteroiden herausgeschlagen wurde. Die Trümmerstücke der Kollision finden sich heute teilweise als Meteoriten auf der Erde - «Northwest Africa 5480» ist einer von ihnen.

Da die Untersuchungsergebnisse darauf hinweisen, dass «Northwest Africa 5480» aus dem oberen Mantel von Vesta stammt, konnten die Wissenschaftler zudem zeigen, dass ein Teil der deformierten Kristalle durch die Abkühlung Vestas im oberen Mantel «fossilisiert» wurde, bevor sie in grössere Tiefen abtauchen konnten. Die Art der Deformation der Kristalle und fehlende Aufschmelzungen im Gestein lassen laut den Forschern darauf schliessen, dass sich ihre Deformation nicht in den aufgeschmolzenen Bereichen des Mantels ereignete. Um jedoch die Bewegungsprozesse in Gang zu halten, muss der Mantel von Vesta während der ersten 100 Millionen Jahre teilweise aufgeschmolzen gewesen sein. Wann Vesta vollständig erstarrte, diskutieren die Fachleute derzeit noch heiss.

Lieraturhinweis

Tkalcec BJ, Golabek GJ and Brenker FE: Solid-state plastic deformation in the dynamic interior of a differentiated asteroid, Nature Geoscience online publication, 20^th January 2013. doi: 10.1038/ngeo1710