Der sonderbare Nachbar der Sonne

Lange herrschte FUNKSTILLE bei Merkur. Über 30 Jahre ist es her, dass die Raumsonde Mariner 10 den sonnennächsten Planeten angesteuert hat. Zwar funkte Mariner bei drei kurzen Vorbeiflügen rund 9000 Fotos erdwärts, doch über die Hälfte der Merkur-Oberfläche blieb unerforscht. Das änderte sich am 18. März 2011, als die robotische Sonde Messenger („Botschafter”) mit einem Bremsmanöver in einen Merkur-Orbit einschwenkte. Seither studiert der erste Merkur-Satellit sein geheimnisvolles Ziel eingehend, während die Sonne den Hitzeschild des Spähers auf fast 400 Grad Celsius bringt.

„Wir erhalten alle paar Tage so viele Daten wie bei jedem einzelnen Vorbeiflug zuvor”, sagt Planetenforscher Jürgen Oberst vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR). Die Fotos zeigen mondähnliche Landschaften, doch Merkur ist keine heiße Kopie unseres Mondes. Messengers Lageberichte zeigen vielmehr, dass der kleinste Planet anders ist als alle anderen Körper im Sonnensystem.

Merkur unter Beschuss

Eigentlich ist „Messenger” eine Abkürzung und steht für „ Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging”. Es geht also um die gesamte Bandbreite der Merkur-Forschung: Oberfläche, Sonneneinfluss, chemische Zusammensetzung und Kartierung.

Die Höhenprofile des Planeten werden mit einem Laser vermessen. Bei diesem „Ranging” dient die Laufzeit des Laserlichts als Maß für die Distanz zwischen Sonde und Merkur und damit für die Höhe des Geländes. Über vier Millionen Laser-Echos von der Oberfläche wurden bislang ausgewertet, berichtete im März das Wissenschaftsmagazin Science. Auffällig ist, dass die Höhendifferenzen auf dem Merkur geringer sind als auf Mars und Erdmond. Während es der Mars mit seinen tiefen Schluchten und riesigen Vulkanen auf Höhenunterschiede bis zu 30 Kilometer bringt und unser Mond immerhin 20 Kilometer zu bieten hat, fallen die Differenzen auf Merkur bescheidener aus: Für die nördliche Halbkugel ergeben die Laser-Messungen weniger als 10 Kilometer. Der Grund dafür liegt wohl in der Tiefe – oder genauer: im speziellen inneren Aufbau des Merkurs.

Zunächst zur Kruste: „Merkurs Oberfläche ist von Kratern übersät. Der Planet wurde von gewaltigen Einschlägen großer Planetoiden heimgesucht”, sagt Oberst, der zum Team der Messenger-Mission gehört und mit den Stereo-Fotos der Bordkamera den Planeten präzise kartographiert. Das schon von den Mariner-Fotos bekannte Caloris-Becken auf der nördlichen Halbkugel gehört zu den größten Einschlagsbecken im Sonnensystem. „Wir haben zwei konzentrische Ringe identifiziert, die das Becken begrenzen. Ihre Durchmesser betragen 1380 und 1700 Kilometer.”

Schemenhaft sind im digitalen Geländemodell, das die Forscher aus den Fotos gewonnen haben, eine Handvoll weiterer Krater erkennbar, allesamt über 500 Kilometer groß. Sie wurden beim Caloris-Einschlag fast völlig von Auswurfmaterial zugedeckt. Auch der zweitgrößte Einschlagskrater, das Rembrandt-Becken auf der Südhalbkugel, ist mit über 700 Kilometer Durchmesser eine Entdeckung Messengers. Stück für Stück enthüllen Kartographen wie Oberst die vor Kurzem noch größte „Terra incognita” des Sonnensystems.

höllenhitze im labor

In seinem Berliner Labor arbeitet auch Jörn Helbert daran, die Geheimnisse von Merkurs Oberfläche zu lüften. Er ist ebenfalls Mitglied des Messenger-Teams. An der Tür zu dem mit Sensoren und Computern vollgestopften Raum des DLR-Instituts für Planetenforschung steht „Planetares Emissivitäts Labor”. Trotz des sperrigen Namens folgt die Arbeit des Physikers einem einfachen wissenschaftlichen Konzept: Aus den Wärmestrahlen, die das heiße Gestein auf Merkurs Oberfläche aussendet, wird auf die chemische Zusammensetzung geschlossen. Allerdings fehlen dazu noch Vergleichsmessungen bei hohen Temperaturen – und das soll sich nun ändern.

Physiker bezeichnen mit der sogenannten Emissivität die Fähigkeit eines Körpers zur Abstrahlung von Energie. Je schwärzer dessen Oberfläche ist, umso mehr nähert sich die Emissivität dem Idealwert 1. Kohle beispielsweise hat den Wert 0,95, Basalt nur 0,72, jeweils gemessen bei Raumtemperatur.

„Mit diesen Messungen betreten wir Neuland”, erklärt Helbert und deutet auf mehrere kleine Materialproben, auf die im Laborofen die höllische Hitze Merkurs wartet, also bis zu 430 Grad. Die flachen, kreisrunden Proben sehen aus wie kleine Münzen, allesamt sind es Schwefel-Verbindungen.

„Wir probieren zunächst einfache chemische Substanzen aus, beispielsweise Kaliumsulfid, Magnesiumsulfid oder Mangansulfid. Die Eigenschaften ihrer Infrarot-Abstrahlung bei so hohen Temperaturen sind weitgehend unbekannt.” Schrittweise entsteht in Berlin-Adlershof ein Archiv von Infrarot-Messungen natürlicher und synthetischen Materialien. Die Planetenforscher werden damit die Infrarot-Messungen vom Merkur vergleichen.

Obskure Senken im Boden

Helberts Labor-Messungen könnten auch ein Rätsel lösen helfen, über das sich die Messenger-Forscher neuerdings die Köpfe zerbrechen: Auf vielen Fotos haben sie seltsame Bodenmulden entdeckt. Anders als die zahllosen Krater sind diese flachen Mulden randlos und unregelmäßig geformt. Ihre Größe schwankt zwischen einigen Dutzend Metern und wenigen Kilometern. Sie scheinen weiträumig über Merkurs Oberfläche verteilt zu sein und treten oft in Gruppen auf. Viele dieser „Hollows” haben innen oder in unmittelbarer Nähe helle Flecken.

Da die Mulden kaum kleine Einschlagskrater aufweisen, halten Geologen sie für relativ jung. Wie sie entstanden sind, ist unklar. Vermutlich waren flüchtige Substanzen am Werk, die die Hitze aus dem Gestein getrieben hat. Helbert hofft, das seine Messungen klären helfen, welche Stoffe beteiligt waren. Sein amerikanischer Kollege David Blewett von der Johns Hopkins University in Maryland hält es sogar für möglich, dass noch heute solche seltsamen Senken entstehen. Blewett hatte die Hollows im vergangenen Herbst im Fachmagazin Science beschrieben.

Geisterhafte Krater

Die Wissenschaftler konnten inzwischen auch die alte Frage zum Ausmaß des Vulkanismus auf dem Merkur klären. Wie man weiß, wurden einst große Gebiete der nördlichen Polarregion von Lava überflutet. James Head von der Brown University im US-Bundesstaat Rhode Island ermittelte zusammen mit Kollegen, dass die vulkanischen Schichten stellenweise zwei Kilometer dick sind. Die Planetologen schließen dies aus der Beobachtung von „ Geisterkratern” – das sind teilweise mit Lava gefüllte und deshalb nur noch undeutlich erkennbare Krater. Aus deren Tiefe leiteten die Forscher die Mächtigkeit der vulkanischen Schichten ab.

Head zufolge geht der Merkur-Vulkanismus nicht von Schild- oder Kegelvulkanen aus, wie man sie von der Erde und dem Mars kennt. Vielmehr quoll auf dem Merkur die dünnflüssige Lava aus langen Rissen im Boden und überflutete weite Regionen. Mindestens sechs Prozent der Oberfläche wurden so bereits vor 3,5 bis 4 Milliarden Jahren von Lavamassen überflutet. Viele der Pforten ins heiße Innere deckte wohl die Lava zu. An anderen Stellen, wo weniger Lava austrat, wurden bis zu 25 Kilometer lange Risse entdeckt. Auch dort haben flüssige Gesteinsmassen die Landschaft erodiert. Flussähnliche Strukturen und stromlinienförmige Hügel sind auf den Fotos klar zu erkennen.

Heisses Eisen in Bewegung

Magnetische Messungen erlauben einen Blick in die Tiefe. Dass der kleine Planet über ein globales Magnetfeld verfügt, hatte bereits die Sonde Mariner 10 enthüllt. Damals war das eine große Überraschung: „Ein globales Magnetfeld ist bei den festen Körpern des Sonnensystems die Ausnahme”, sagt Ulrich Christensen, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau. „Neben der Erde hat lediglich Jupiters Trabant Ganymed ein solches Feld – und eben der Merkur”, sagt der Experte für planetaren Magnetismus.

Die Quelle dieses Magnetfelds liegt im Eisenkern des Planeten. Es entsteht durch den sogenannten Dynamo-Effekt. Demzufolge treiben im geschmolzenen Teil des Kerns die Strömungen des flüssigen Metalls den Dynamo-Prozess an. Ähnlich wie bei einem Fahrrad-Dynamo beruht die Physik dabei auf Induktionsvorgängen. Allerdings gibt es beim Mini-Kraftwerk des Fahrrads keine Strömungen – für die nötige Bewegung sorgt vielmehr die Drehung des Laufrädchens am Reifen.

„Um seinen Dynamo am Laufen zu halten, braucht ein Planet erstens einen flüssigen und elektrisch leitfähigen Kern und zweitens genügend schnelle Strömungen in der Kernflüssigkeit”, sagt Christensen. Solche Strömungen werden beispielsweise durch Temperaturunterschiede ausgelöst – im Fachjargon spricht man von Konvektion.

Kleiner Planet mit RiesenKERN

Seit Längerem ist bekannt, dass Merkur einen großen Eisenkern besitzt. Und der ist sogar noch größer als vermutet: Nach den jüngsten Auswertungen der Messenger-Daten erstreckt er sich über 83 Prozent des Planetenradius (bei der Erde sind es 54 Prozent). Offen ist noch die Frage, warum Merkurs Magnetfeld vergleichsweise schwach ist.

Christensen hatte bereits vor der Ankunft Messengers mit Modellrechnungen ermittelt, dass eine flüssige Eisenschicht im oberen Bereich des Kerns das Magnetfeld teilweise abschirmen könnte. Eine solche Dämpfung wäre wirksam, wenn die betreffende Schicht nicht an der Konvektion teilnehmen würde.

Neue Analysen bringen nun ebenfalls eine dämpfende Schicht ins Spiel: Das Team um Maria Zuber vom Massachusetts Institute of Technology kommt in einem Beitrag in Science zu dem Schluss, dass der Eisenkern von einer dünnen „Schale” aus festem Eisensulfid umgeben sein könnte (siehe Kasten links: „Das seltsame Innere Merkurs”). Die Forscher hatten kleinste Änderungen der Umlaufbahn der Sonde analysiert, daraus ein Schwerkraft-Modell erstellt und auf dieser Grundlage den inneren Aufbau Merkurs entschlüsselt.

Doch wie kommt der kleine Merkur überhaupt zu einem Riesenkern? Bislang sind die Forscher ratlos. Theorien, wonach Merkur einst größer war und die äußeren Schichten bei einer Kollision mit einem anderen Planeten abgesprengt wurden, sind wohl überholt. Denn die chemischen Analysen von Messenger ergaben, dass das Krustengestein viele flüchtige Substanzen enthält, insbesondere Schwefel und Kalium. Bei einem Aufprall wären diese Stoffe durch die gewaltige Hitze ins All verdampft.

Und noch etwas lässt rätseln: Gibt es tatsächlich Eis im ewigen Schatten mancher tiefer Merkur-Krater? Auf Bildern von Merkurs Nordpol, die zu Beginn der 1990er-Jahre mit Radar-Antennen aufgenommen wurden, erscheinen einige Krater auffällig hell. Eine Erklärung lautet: Dort reflektiert Wassereis die Radar-Wellen besonders stark.

Auch Bepi Colombo will zum merkur

Zur Klärung bleibt noch etwas Zeit, da die Messenger-Forscher kürzlich den ersehnten Zuschlag der NASA für die Missionsverlängerung bis ins Jahr 2013 erhielten. Sollte Messenger jedoch eine Antwort schuldig bleiben, steht bereits ein Nachfolger in den Startlöchern: Die europäisch-japanische Doppelmission Bepi Colombo, die sich ebenfalls den Merkur auf die Fahne geschrieben hat. Eine Ariane-Rakete soll beide Sonden in drei Jahren ins All schießen. ■

THORSTEN DAMBECK ist promovierter Physiker und regelmäßiger bdw-Autor. Im April-Heft berichtete er über den Saturnmond Enceladus.

von Thorsten Dambeck