Gamm-Eisen in Einschlagglas von Chang'e-6 unversehrt gefunden

Ein magnetisches Fossil im Einschlagglas

Die Eisenpartikel waren laut der Studie weniger als 10 Nanometer bis etwa 140 Nanometer groß und enthielten sehr wenig Nickel. Die Forscher wählten drei eisenhaltige Partikel aus einer Bodenprobe von Chang'e-6 aus: zwei Bruchstücke von Einschlagglas und ein Basaltbruchstück. Mit fokussierten Ionenstrahlen schnitten sie dünne Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie. In den beiden Glasfragmenten steckten kugelförmige metallische Eisenpartikel in einer kieselsäurereichen Matrix. Hochauflösende Bilder und Beugungsmessungen zeigten sowohl Alpha-Eisen als auch Gamm-Eisen.

Überraschend war die Struktur. Von 50 Partikeln, die das Team zufällig über die beiden Einschlagglasproben verteilt untersuchte, überwog Gamm-Eisen: In einer Probe machte es 64 Prozent der analysierten Partikel aus, in der anderen 76 Prozent. Das Basaltbruchstück verhielt sich wie erwartet. Sein deutlich größeres metallisches Eisenkorn bestand vollständig aus Alpha-Eisen. Das passt zur Entstehung beim gewöhnlichen Abkühlen von Magma und nicht zu einem heftigen Einschlag.

Reines Gamm-Eisen hat eine kubisch-flächenzentrierte Atomstruktur und ist bei niedrigem Druck normalerweise nur zwischen etwa 912 und 1.394 Grad Celsius stabil. Beim gewöhnlichen Abkühlen wandelt es sich in die kubisch-raumzentrierte Alpha-Phase um. Es unversehrt im Mondboden zu finden, war deshalb unerwartet. Die Partikel überlebten im Glas, das Einschläge gebildet hatten.

Wie Einschläge die Struktur eingefroren haben könnten

Die Forscher nehmen an, dass zwei Bedingungen zusammenkamen. Die eine ist die Anwesenheit geringer Mengen von Elementen, die die kubisch-flächenzentrierte Phase stabilisieren können. Nickel kann diese Rolle übernehmen, doch die Partikel enthielten weniger als 0,8 Prozent Nickel nach Gewicht, weit unter den Werten, die für die fcc-Eisen-Nickel-Legierung Taenit typisch sind. Kohlenstoff ist daher ein naheliegender Kandidat. Laborversuche haben gezeigt, dass kleine Mengen nanoskopisches Gamm-Eisen bei Raumtemperatur stabilisieren können, und kohlenstoffreiches Material von Einschlagkörpern wurde bereits in Mondproben nachgewiesen.

Die zweite Voraussetzung ist extrem schnelles Abkühlen. Meteoriteneinschläge erzeugen eine intensive, kurzlebige Hitze, die Mondboden schmelzen kann. Auf einem luftlosen Mond können winzige Tröpfchen und Bruchstücke ihre Wärme dann sehr schnell abgeben. Das rasche Abschrecken könnte verhindern, dass sich die Atome in die stabilere Alpha-Eisen-Struktur umlagern. Das umgebende Einschlagglas könnte die Partikel zudem mechanisch einschließen. Unterschiede in der Wärmeausdehnung von Eisen und Glas können die Nanopartikel unter Spannung setzen und so womöglich sowohl ihre Struktur als auch ihr magnetisches Verhalten stabilisieren.

Was das Eisen zeigen kann und was nicht

Die Elektronenholografie zeigte, dass größere Gamm-Eisen-Partikel stabile magnetische Vortexzustände bilden können. Das deutet darauf hin, dass sie zusammen mit den bekannteren Eisenmineralien des Mondes alte magnetische Informationen bewahren könnten. "Dieses winzige magnetische Fossil kann uns helfen, die frühe magnetische Geschichte des Mondes besser zu verstehen", sagte Teammitglied Long Li.

Der Mond hat heute kein globales Magnetfeld, doch Teile seiner Kruste sind weiterhin magnetisiert und bewahren Spuren von Feldern, die vor Milliarden Jahren existierten. Wissenschaftler stützten sich bei magnetischen Aufzeichnungen in Mondgestein bisher vor allem auf metallisches Alpha-Eisen und Eisen-Nickel-Legierungen. Gamm-Eisen könnte nach Ansicht der Forscher künftig helfen, magnetische Signale des früheren Kerndynamos des Mondes von Feldern zu trennen, die bei großen Einschlägen entstanden. Diese Möglichkeit sei aber noch nicht belegt, betonen sie.

Chang'e-6 brachte 2024 die ersten überhaupt gesammelten Proben von der Rückseite des Mondes zur Erde, aus dem Apollo-Krater im Südpol-Aitken-Becken, einer der ältesten und tiefsten Einschlagstrukturen des Mondes. Die Mission holte 1.935 Gramm Boden zurück. Bis dahin stammte jede zurückgebrachte Mondprobe von der erdzugewandten Seite. Die Entdeckung, veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences, stammt von einem internationalen Team, das unter anderem von Wissenschaftlern des Hochmagnetfeldlabors der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet wurde.