Der innerste Planet unseres Sonnensystems gibt einige Rätsel auf und ist deutlich weniger gut erforscht als andere Nachbarplaneten der Erde. Mit Mariner und Messenger haben erst zwei Raumsonden den Merkur besucht und Daten aus seinem Orbit geliefert, eine dritte Mission, BepiColombo, ist unterwegs. Bekannt ist jedoch, dass der Merkur keine echte Atmosphäre besitzt, sondern nur eine sehr dünne, weit nach außen reichende Exosphäre. Atome in dieser dünnen Hülle können der Anziehungskraft des Planeten relativ leicht wieder entfliehen, werden aber durch verschiedene Prozesse immer wieder ergänzt. „Die Exosphäre besteht aus verschiedenen Teilchen, die aus dem Sonnenwind, (Mikro)Meteoroidenschlägen und Interaktionen mit der Planetenoberfläche stammen“, erklären Daniel Schmid vom Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und seine Kollegen. „Anders als auf der Erde, wo Meteoroide in der Atmosphäre verglühen, erreichen sie auf Merkur die Oberfläche ungebremst und reichern die Exosphäre kontinuierlich an.“
Wellenwirbel als Elementanzeiger
Aus Daten der Sonden Mariner und Messenger war bereits bekannt, dass die Merkur-Exosphäre Gase wie Wasserstoff und Helium, aber auch andere Elemente wie Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Eisen und Mangan enthält. Schon länger vermuteten Planetenforscher jedoch, dass auch Lithium in der Exosphäre präsent sein müsste. Belege dafür fehlten jedoch bisher. „Weder Teilchendetektoren an Bord der Raumsonden noch Teleskopbeobachtungen von der Erde aus konnten die Präsenz von Lithium nachweisen“, erklären Schmid und sein Team. Sie haben daher mit einem anderen Ansatz nach diesem Element gesucht. Basis dafür waren sogenannte Pick-up-Ionenzyklotronwellen (ICW) – elektromagnetische Wellen, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und neutralen Teilchen in der Exosphäre entstehen. “Über die charakteristischen Schwingungsfrequenzen dieser Wellen können spezifische chemische Elemente – darunter Wasserstoff, Helium und erstmals auch Lithium – bestimmt werden”, erklärt Schmid. „Aus der Stärke dieser Wellen lässt sich die Dichte der entsprechenden Ionen und ihrer Ursprungsteilchen ableiten und damit das Höhenprofil der Exosphäre rekonstruieren.“ Für ihre Studie werteten die Forschenden daher Messdaten der Raumsonde Messenger aus, die diese Pick-up-Ionenzyklotronwellen im Umfeld des Merkur mithilfe seines Magnetfeldsensors gemessen hat.
Tatsächlich identifizierten Schmid und sein Team die für Lithiumatome charakteristischen Ionenzyklotronwellen in den Messenger-Daten. Diese magnetische Elementsignatur war jedoch nicht ständig und in gleichem Maße in der Merkur-Exosphäre präsent, sondern die Wellen häuften sich zu bestimmten Zeiten. „In den vier Jahren der Messenger-Daten identifizierten wir zwölf ICW-Ereignisse im Bereich der lokalen Lithium-Gyrofrequenz“, berichten die Forschenden. „Damit demonstrieren wir die Präsenz von Lithium in Merkurs Exosphäre.“
Ihren Berechnungen zufolge könnte die gesamte Exosphäre des Planeten je nach Zeitpunkt und Region zwischen 2,2 und 6,7 Quadrillionen (1024) Lithiumatome enthalten. Das klingt zwar nach viel, ergibt aber umgerechnet nur eine Masse von 25 bis 77 Gramm Lithium, wie Schmid und seine Kollegen berichten. Die Teilchendichte nimmt zudem mit wachsender Entfernung zur Planetenoberfläche ab, wie die Messenger-Messdaten zeigten.
