Neues vom Merkur – schlechtes Facelifting, Vulkane und Wasser

Die Forscher der NASA-Sonde Messenger haben Ihre Ergebnisse für das Wissenschaftsmagazin “Science” zusammengestellt, mit teilweise verblüffenden Ergebnissen.

Elf Berichte sind zusammengekommen:

1. Sean Solomon et al. geben einen Überblick über die Ergebnisse des Messenger-Vorbeifluges am Merkur. Z.B. von den neuen Kamera-Bildern.

Vor Messenger gab es von Merkur lediglich die Bilder von Mariner 10 aus dem Jahr 1975, die 45% der Oberfläche kartiert hat. Messenger hat diesen bekannten Bereich um 21% erweitert. Es waren tatsächlich Bilder, die noch nie ein Mensch zuvor gesehen hat; weiße Flecken auf der Landkarte, die getilgt wurden.

Interessanterweise zeigten die Mariner 10 Bilder, dass die Merkuroberfläche von lappigen Strukturen überzogen ist. Es sieht so aus, als ob Merkur in der Frühzeit seiner Entstehung regelrecht geschrumpft ist und Teile der Kruste sich dabei übereinander schoben. Wie bei einem schlechten Facelifting.

Bild: NASA, Beagle Rupes (1)

Die neuen Bilder zeigen neben neuen Bereichen auch bereits bekannte Gebiete mit höherer Auflösung und aus einem anderen Blickwinkel. Diese bestätigen, dass Merkur geschrumpft ist und das sogar 30% stärker als bisher angenommen.

Warum ist aber Merkur geschrumpft?

Hier übergebe ich die Staffel an das nächste Wissenschaftsteam .
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Paper 1: Return to Mercury: A Global Perspective on MESSENGER’s First Mercury Flyby, Solomon et al., Science 4 July 2008:Vol. 321. no. 5885, pp. 59 – 62, DOI: 10.1126/science.1159706
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2. Mark Robinson et. al. haben in verschiedenen Wellenlängen – also für verschiedene Farben – nachgesehen, wieviel Licht in dieser Farbe reflektiert wird. Auf diese Art und Weise konnten sie eine Karte erstellen und Bereiche hoher, mittlerer und niedriger Reflexion nachweisen und auch sehen, dass in bestimmten Bereichen, das Licht der Farbe rot stärker reflektiert wird, als das Licht anderer Farben.

Die Ergebnisse von Merkur wurden dann mit Labormessungen und vor allem mit Messungen am Mond abgeglichen. Das ist ein Punkt, den ich nochmal betonen möchte. Mark Robinson und seine Kollegen haben ihre Messungen mit dem Mond abgeglichen, weil das der Körper ist, dem Merkur noch am ehesten ähnelt. Die Struktur des Mondes dient hier also als Schlüssel für die Struktur des Merkur.

Daraus ergibt sich als Quintessenz die Lösung eines 30 Jahre alten Rätsels. War Merkur früher von Vulkanen durchzogen oder nicht?

Denn während auf dem Mond einem die Unterschiede zwischen den Hochebenen, die von Einschlagskratern (2) dominiert werden, und den vulkanischen Maria (Plural von Mare) ins Gesicht springen, sind die Unterschiede auf dem Merkur eher subtil und müssen förmlich erarbeitet werden.

Die Reflexionsanalyse zeigt nun, dass einige Bereiche eindeutig vulkanischen Ursprungs sind. Das Material sieht anders aus, als das der Impaktkrater. Die Spuren vulkanischer Aktivität finden sich an so vielen Stellen, dass man ziemlich sicher davon ausgehen kann, dass einmal der gesamte Merkur fast vollkommen aufgeschmolzen war.

In der Tat ist das bereits eigentlich des Rätsels Lösung, warum Merkur geschrumpft ist. Merkur hat sich abgekühlt. Und was passiert mit Körpern, die sich abkühlen? Sie ziehen sich zusammen. Genau das ist hier einem ganzen Planeten passiert und die äußere bereits erkaltete “Haut” wurde dabei etwas gestaucht.

Bild: MDIS, von links nach rechts, 1. Bild in echten Farben, der Bereich im weißen Kasten wurde als Referenz verwendet. 2. Im nächsten Bild wurden die Bereiche herausgearbeitet, welche Licht unterschiedlicher Farbe unterschiedlich reflektieren, 3.) im Falschfarbenbild grenzen die schwarzen Pfeile die Gebiete vulkanischen Ursprungs ein. Wie man sieht, springen vulkanische Gebiete nicht direkt ins Auge, sondern müssen herausgearbeitet werden.
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Paper 2: Reflectance and Color Variations on Mercury: Regolith Processes and Compositional Heterogeneity, Robinson et al., Science 4 July 2008:Vol. 321. no. 5885, pp. 66 – 69
DOI: 10.1126/science.1160080
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3. William McClintock et al. berichten von den Ergebnissen des Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer (MASCS). Hier zeigt sich, dass kein Ergebnis in der Wissenschaft oft auch ein Ergebnis ist. Die Forscher fanden nämlich kaum Eisen, selbst nicht in relativ frischen Kratern, und das bei einem Planeten, der fast überwiegend aus Eisen besteht. Merkur verfügt über einen relativ großen Eisenkern, der ca. 75% des Gesamtvolumens einnimmt.

Dieser Umstand sagt wiederum einiges über Merkurs Geschichte aus. Anscheinend war die Differentiation des Planeten Merkur sehr effektiv.

Was heißt das?

Wir gehen davon aus, dass alle terrestrischen Planeten einmal glühend heiße, fast völlig aufgeschmolzene Felsbrocken waren. Allerdings sehr, sehr große Felsbrocken mit soviel konzentrierter Masse, dass sie sich aufgrund der Eigengravitation automatisch zu einer runden Kugel formten und die schweren Elemente ins Innere sanken, die leichten aber sozusagen als Schlacke oben schwimmen blieben. Hatten wir nicht eben gerade festgestellt, dass Merkur in ferner Vergangenheit der Schauplatz ausgedehnten Vulkanismus war? Wie man sieht, passen beide Erkenntnisse wunderbar zusammen.

Weiterhin erklärt der hohe Eisenanteil, warum Merkur so stark zusammenschrumpfte. Metall dehnt sich unter Hitze wesentlich stärker als z.B. das Gestein an der Oberfläche. Forscher schätzen, dass Merkurs Durchmesser um ca. eine Promille abgenommen hat, was auf planetaren Skalen ziemlich viel ist.

Bild: NASA, MDIS, die weiße Spur stellt eine Abdeckung des Spektrometers über die Oberfläche dar, die hier im Falschfarben-Mosaik-Bild dargestellt wird.
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Paper 3: Spectroscopic Observations of Mercury’s Surface Reflectance During MESSENGER’s First Mercury Flyby, McClintock et al., Science 4 July 2008: Vol. 321. no. 5885, pp. 62 – 65, DOI: 10.1126/science.1159933
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4. James Head et al. (ebenfalls MDIS) nähern sich dem Thema Vulkanismus auf dem Merkur von einer anderen Seite. Sie untersuchten im Detail die Form und Struktur der Krater.

Siehe da! Alleine die typischen Flussstrukturen und Kraterformen lassen auf eine vulkanische Vergangenheit schließen. Vermutlich waren die Mariner 10-Bilder nicht detailreich genug, um diese Unterschiede aufzulösen.

Bild: Links Merkur, rechts Mars. Wieder haben wir hier ein Beispiel für vergleichende Planetologie. Es handelt sich in beiden Fällen um einen Einschlagskrater, der sich mit Lava füllte. Also eine Mischstruktur von Vukanismus und Einschlagsereignissen.
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Paper 4: Volcanism on Mercury: Evidence from the First MESSENGER Flyby, Head et al., Science 4 July 2008:Vol. 321. no. 5885, pp. 69 – 72, DOI: 10.1126/science.1159256
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5. Scott Murchie et al betrachten unter dem Gesichtspunkt Vulkanismus und Impaktkrater das Caloris-Becken, eine größere Struktur auf dem Merkur, die zunächst als großer Impaktkrater entstand und anschließend durch Lava und weitere Einschläge umgeformt wurde.

Bild: MDIS.

Was war vorher dar? Der Krater oder die Lava? Links schlug ein Meteorit in die längst erstarrte Lava ein, im rechten Bild wurde der Einschlagskrater anschließend teilweise mit Lava aufgefüllt.
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Paper 5: Geology of the Caloris Basin, Mercury: A View from MESSENGER, Murchie et al., Science 4 July 2008: Vol. 321. no. 5885, pp. 73 – 76, DOI: 10.1126/science.1159261
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6. Maria Zuber et al. berichten von den Ergebnisen des Laser-Höhenmessers (3). Die Forscher haben das Höhenprofil entlang des Äquators vermessen. Die Forscher stellten u.a. fest, dass die Krater flacher sind als die auf dem Mond, was wahrscheinlich an der höheren Schwerkraft liegt.

Um die weiteren Punkte zu verstehen, sollten wir den Standpunkt eines Geologen einnehmen, der einen Planeten in geologischen Zeiträumen betrachtet. Denn auch wenn uns unser Erdboden fest und unverformbar erscheint, so stimmt das genau genommen nicht. In geologischen Zeiträumen fließt der Erdboden unter unseren Füßen: Alleine die Rotation eines Planeten sorgt dafür, dass sich jeder Planet am Äquator ausbeult. Dazu schwimmen auf der Erde Kontinentalplatten auf flüssigerem Gestein, reißen auf, drücken gegeneinander, werden in tiefere Schichten gedrückt, dabei wird gleichzeitig an einer anderen Stelle Material förmlich nach oben gedrückt – z.b. entstand so der Himalaja – und sinkt anschließend nur aufgrund des Eigengewichtes wieder in den weichen Untergrund ab. Dieser Prozess wird Kompensation genannt.

Wenn also die Forscher am Merkur feststellen, dass die Auswölbung des Äquators aufgrund der Eigenrotation nicht so stark ausgeprägt ist, wie es eigentlich möglich wäre. Dann bedeutet das, dass die Kruste des Merkur schon ziemlich stark in den flüssigeren eingesunken ist. D.h. geologisch gesehen, war die Äquatorregion in der letzten Zeit nicht sehr aktiv. Es gab also in jüngster Zeit keine geologischen Umwälzungsprozesse. Geologisch gesehen ist alles ziemlich ruhig auf dem Merkur.

Kein Wunder. Man geht davon aus, dass der Merkur im Gegensatz zur Erde bereits ziemlich stark ausgekühlt ist.

Bild: MLA (Merkur Laser Altimeter), Oben: Das 105fach übertriebene Höhenprofil. Merkur ist am Äquator ziemlich flach. Unten: Entlang der weißen Linie hat MLA vermessen. Das Hintergrundbild ist ein Radarbild aufgenommen von größten Radarteleskop der Welt, dem Arecibo-Teleskop.
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Paper 6: Laser Altimeter Observations from MESSENGER’s First Mercury Flyby, Zuber et al., Science 4 July 2008: Vol. 321. no. 5885, pp. 77 – 79, DOI: 10.1126/science.1159086
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7. Robert Strom et al. betreiben wiederum das beliebte “Kraterzählen”. Bei Planeten und Monden ohne nennenswerte Atmosphäre wie beim Mars und Mond lässt sich auf die Art und Weise relativ leicht bestimmen, welche Teile alt und daher voller Einschlagslöcher von der rasanten Fahrt durchs All sind, wo man sich unweigerlich den einen oder anderen Asteroiden oder Kometen einfängt, und welche Teile jung sind. Dort wurden die Einschlagslöcher durch geologische Ereignisse wie größere Lavaflüsse ausgelöscht.

Interessanterweise unterscheidet sich die Kraterverteilung etwas von der auf dem Mars. Dabei geht man davon aus, dass kleinere Krater sehr häufig und größere relativ selten sind. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass manche Einschlagskörper mehr als einen Krater hinterlassen, weil ihre Auswürfe wieder Krater schlagen. Diese sekundären Krater sind auf dem Merkur häufiger anzutreffen, weswegen man vorsichtig sein sollte, bei der Datierung mittels Einschlagskratern. Ansonsten ähnelt der Merkur in dieser Hinsicht sehr dem Mond.

Auch wenn MLA festgestellt hat, dass sich am Äquator geologisch gesehen nicht sehr viel tut (Paper 6). Die Forscher haben eine Region namens Raditladi gefunden, die anscheinend innerhalb der letzten Milliarde Jahre entstanden ist und damit geologisch gesehen recht jung ist.

Im Kontrast dazu ist das Caloris-Becken sehr alt – nicht jünger als 3,8 Milliarden Jahre – und stammt damit aus der Zeit des Großen Bombardements. Das erklärt wiederum die geologischen Besonderheiten dieses Beckens, das eine Mischform von Vulkanismus und Einschlagskratern darstellt (Paper 5).
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Paper 7: Mercury Cratering Record Viewed from MESSENGER’s First Flyby. Strom et al., Science 4 July 2008: Vol. 321. no. 5885, pp. 79 – 81, DOI: 10.1126/science.1159317
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8. Brian Anderson et al. haben sich das Magnetfeld des Merkur zur Brust genommen. Tatsächlich ist Merkur neben der Erde der einzige terrestrische Planet mit globalem Magnetfeld. Auch wenn das ziemlich schwach ist. Aber die bloße Existenz eines solchen Feldes bestätigt, dass der Eisenkern im Inneren zumindest teilweise noch geschmolzen ist und die fast perfekte Dipol-Form scheint darauf hinzudeuten, dass der flüssige Innere Kern von einem ruhigen (erkalteten?) äußeren Kern umhüllt ist.
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Paper 8: The Structure of Mercury’s Magnetic Field from MESSENGER’s First Flyby, Anderson et al., Science 4 July 2008: Vol. 321. no. 5885, pp. 82 – 85, DOI: 10.1126/science.1159081
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9. James Slavin et al. berichten über die Interaktion des Magnetfeldes mit dem Sonnenwind. Darüber hatte ich hier schon geschrieben und eine Animation des Messenger-Vorbeifluges eingebunden.

Bild: Die dynamische Struktur des Magnetfeldes.

Merkur zieht trotz Magnetfeld einen kometenartigen Schweif an geladenen Atomen hinter sich her, welche der Sonnenwind aus der Oberfläche schlägt (Sputtering).
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Mercury’s Magnetosphere After MESSENGER’s First Flyby, Slavin et al. Science 4 July 2008: Vol. 321. no. 5885, pp. 85 – 89, DOI: 10.1126/science.1159040
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10. Thomas Zurbuchen et al. nahmen die Ionen aus diesem Schweif genauer unter die Lupe. Witzigerweise fanden sie dabei auch Ionen, die man typischerweise nach der Ionisation von Wasser findet: H₂O⁺, O⁺, OH^–.

Woher kommt das Wasser?

Es gibt drei Möglichkeiten, die sich nicht gegenseitig ausschließen müssen. In den Kratern an den Merkurpolen, die in ewiger Dunkelheit liegen, könnte noch Wassereis haften. Das Wasser könnte von Kometen stammen oder aber Sauerstoff-Atome, die aus dem Merkurgestein geschlagen werden und Wasserstoff-Atome aus dem Sonnenwind gehen im Schweif eine Verbindung ein.

Bild: Ionen im Merkurschweif. Die Ionen der Wassergruppe befinden sich bei den Atomgewichten 16 und 18.

Ob man sich mit dem Wasser auf dem Merkur – wenn es denn wirklich vom Merkur stammt – jemals eine Tasse Tee kochen kann, ist allerdings mehr als fraglich.
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Paper 10: MESSENGER Observations of the Composition of Mercury’s Ionized Exosphere and Plasma Environment, Zurbuchen et al., Science 4 July 2008: Vol. 321. no. 5885, pp. 90 – 92, DOI: 10.1126/science.1159314
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11. Wieder einmal William McClintock et al.. Diesmal geht es um die Atmosphäre des Merkur, falls man von einer Atmosphäre reden kann. Merkur ist von einer äußerst dünnen Gasschicht eingehüllt, die etwa ein Millionstel Milliardstel dünner ist als die Erdatmosphäre. Es ist schon eine sehr merkwürdige “Atmosphäre”. Während wir uns hier in einer Lufthülle bewegen, wo ständig Moleküle gegeneinander stoßen, so für eine hervorragende Durchmischung sorgen und die Schwerkraft eine eher untergeordnete Rolle spielt, ist das bei der so genannten Exosphäre des Merkur ganz anders: Hier bewegen sich die Moleküle und Atome auf ballistischen Flugbahnen. Denn die “Luft” ist so dünn, das die Moleküle eher wieder zu Boden fallen, als das sie auf ein anderes Molekül treffen.

Obwohl das Magnetfeld des Merkur kaum der Rede wert ist und der Planet ständiger Erosion durch den Sonnenwind ausgesetzt ist, so sorgen verschiedene Interaktionen zwischen Sonnenwind, Oberfläche und Magnetfeld für ein Gleichgewicht: Der Verlust der Lufthülle wird ständig wieder aufgefüllt.
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Mercury’s Exosphere: Observations During MESSENGER’s First Mercury Flyby, McClintock et al., Science 4 July 2008: Vol. 321. no. 5885, pp. 92 – 94, DOI: 10.1126/science.1159467
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(1) Gibt es dafür eigentlich eine deutsche Übersetzung? Ich hab jedenfalls keine gefunden und ich bin auch kein Geologe.
(2) Wir gehen davon aus, dass in der Frühzeit der Planetenentstehung, soviele Reste in Form von Asteroiden durch die Gegend schwirrten, dass es eine Zeitlang ziemlich rund im Sonnensystem ging und es alle Nase lang zu Einschlägen kam. Die Rede ist von der Zeit des großen Bombardements vor etwa 4 Milliarden Jahren. Diese Zeit dauerte einige hundert Millionen Jahre. Der Mond, Merkur, der Mars und auch viele größere Asteroiden sind noch heute von vielen Kratern aus dieser Zeit gezeichnet.
(3) Endlich mal ein anderes Instrument. 😉
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