Merkur galt lange als einer der am wenigsten erforschten Planeten des Sonnensystems. Er ist klein, der Sonne extrem nahe und von der Erde aus nur schwer zu beobachten. Vor MESSENGER hatte lediglich Mariner 10 den Planeten besucht, und selbst diese Sonde konnte in den 1970er-Jahren weniger als die Hälfte seiner Oberfläche fotografieren. Erst als MESSENGER 2011 in eine Umlaufbahn um Merkur einschwenkte, wurde aus den verstreuten Beobachtungen ein nahezu vollständiges Bild einer eigenen, überraschend komplexen Welt.

Die Mission entdeckte ausgedehnte Spuren früheren Vulkanismus, ungewöhnliche Vertiefungen in der Oberfläche, einen gewaltigen Metallkern und ein Magnetfeld, dessen Ursprung bis heute Rätsel aufgibt. Am erstaunlichsten war jedoch ein Fund an einem Ort, an dem man ihn kaum erwarten würde: Auf dem sonnennächsten Planeten existiert gefrorenes Wasser. In dauerhaft dunklen Kratern an den Polen liegen erhebliche Mengen Wassereis, die dort trotz der Nähe zur Sonne über lange Zeit erhalten bleiben können.

Wie kam MESSENGER zum Merkur?

MESSENGER startete am 3. August 2004 von Cape Canaveral. Der Name ist eine Abkürzung für „Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging“ und beschreibt bereits die wichtigsten wissenschaftlichen Aufgaben der Mission. MESSENGER sollte die Oberfläche kartieren, die chemische Zusammensetzung bestimmen, das Magnetfeld und die unmittelbare Umgebung untersuchen sowie Rückschlüsse auf den inneren Aufbau Merkurs ermöglichen.

Der Weg zum innersten Planeten war komplizierter, als seine Nähe zur Erde zunächst vermuten lässt. Eine Raumsonde übernimmt beim Start einen großen Teil der hohen Bahngeschwindigkeit der Erde um die Sonne. Um Merkur zu erreichen und dort nicht einfach mit hoher Geschwindigkeit vorbeizuschießen, musste MESSENGER einen erheblichen Teil dieser Bewegungsenergie abbauen. Dafür nutzte die Mission mehrere Vorbeiflüge an Erde, Venus und Merkur selbst.

Mehr als sechs Jahre nach dem Start war es schließlich so weit. Am 18. März 2011 gelang der Eintritt in eine Umlaufbahn um Merkur. MESSENGER war damit die erste Raumsonde überhaupt, die den Planeten dauerhaft umkreiste. Die ursprünglich auf ein Erdjahr ausgelegte Orbitalmission wurde wegen des guten Zustands der Sonde und ihrer wissenschaftlichen Erfolge mehrfach verlängert. Insgesamt untersuchte sie Merkur mehr als vier Jahre lang aus dem Orbit.

Was entdeckte MESSENGER auf der Oberfläche des Merkur?

Schon die vollständige Kartierung war ein grundlegender Fortschritt. Mariner 10 hatte bei ihren drei Merkurvorbeiflügen in den Jahren 1974 und 1975 immer ähnliche Bereiche des Planeten gesehen. Große Teile der Oberfläche waren deshalb jahrzehntelang unbekannt geblieben.

MESSENGER änderte das grundlegend. Während der Orbitalmission entstanden mehr als 250.000 Bilder. Damit konnte praktisch die gesamte Oberfläche detailliert erfasst und in Farbe sowie in hochauflösenden Schwarz-Weiß-Aufnahmen kartiert werden.

Dabei zeigte sich eine Welt, die zwar auf den ersten Blick dem Mond ähnelt, geologisch jedoch eine eigene Geschichte besitzt. Unzählige Einschlagkrater bedecken die Oberfläche, darunter das gewaltige Caloris-Becken mit einem Durchmesser von mehr als 1.500 Kilometern. Daneben erkannte MESSENGER große Ebenen, Bruchstrukturen, Steilhänge und zahlreiche Hinweise darauf, dass Vulkanismus in der Vergangenheit eine bedeutende Rolle spielte.

Besonders ausgedehnte glatte Ebenen werden heute als überwiegend vulkanischen Ursprungs interpretiert. Merkur war also keineswegs während seiner gesamten Geschichte eine geologisch tote, nur von Einschlägen geprägte Welt. In seiner Frühzeit gelangten große Mengen Magma an die Oberfläche und überdeckten ältere Landschaften.

Gab es auf Merkur Vulkane?

MESSENGER lieferte eindeutige Hinweise darauf, dass Merkur über lange Zeiträume vulkanisch aktiv war. Neben großen, erstarrten Lavaebenen entdeckte die Sonde Strukturen, die als ehemalige vulkanische Schlote interpretiert werden.

Einige davon liegen innerhalb unregelmäßig geformter Vertiefungen und sind von auffällig hellem Material umgeben. Die Form dieser Ablagerungen deutet darauf hin, dass dort explosive Eruptionen stattgefunden haben. Dabei könnten Gase aus aufsteigendem Magma plötzlich freigesetzt und Material weit über die unmittelbare Umgebung des Schlotes verteilt worden sein.

Das war eine wichtige Erkenntnis. Merkur war lange als relativ trockener Planet betrachtet worden, bei dem leicht verdampfende Stoffe aufgrund seiner Nähe zur Sonne bereits während der Entstehung weitgehend verloren gegangen sein könnten. Explosive vulkanische Aktivität setzt jedoch voraus, dass zumindest bestimmte flüchtige Bestandteile im Inneren vorhanden waren.

Auch chemische Messungen von MESSENGER zeigten, dass Merkur wesentlich reicher an flüchtigen Elementen ist, als ältere Modelle erwartet hatten. Das stellte Vorstellungen über seine Entstehung vor neue Probleme.

Was sind die geheimnisvollen „Hollows“ auf Merkur?

Zu den ungewöhnlichsten Entdeckungen von MESSENGER gehören kleine, unregelmäßig geformte Vertiefungen, die auf vielen Teilen der Merkuroberfläche vorkommen. Wissenschaftler bezeichneten sie als „Hollows“. Sie besitzen häufig helle Innenflächen und auffallend scharfe Ränder und unterscheiden sich deutlich von gewöhnlichen Einschlagkratern.

Einige Hollows sind nur wenige zehn Meter tief, können sich aber über größere Flächen zusammenschließen. Ihre Oberfläche wirkt geologisch jung, weil in ihnen kaum kleine Einschlagkrater erhalten sind.

Als wahrscheinlich gilt, dass sie entstehen, wenn bestimmte leicht flüchtige Bestandteile des Gesteins aus der Oberfläche entweichen oder zerstört werden. Welcher Stoff dabei genau die entscheidende Rolle spielt und wie schnell dieser Prozess abläuft, ist noch nicht vollständig geklärt.

Die Hollows zeigen jedoch, dass sich die Merkuroberfläche möglicherweise noch in vergleichsweise jüngerer geologischer Vergangenheit verändert hat. Damit gehört der Planet nicht einfach zu den seit Milliarden Jahren unverändert gebliebenen Körpern des Sonnensystems.

Wie groß ist der Kern des Merkur?

Merkur besitzt im Verhältnis zu seiner Gesamtgröße einen außergewöhnlich großen Metallkern. Der Planet hat einen Durchmesser von nur knapp 4.900 Kilometern, doch sein Kern nimmt einen sehr großen Teil seines Inneren ein.

MESSENGER konnte mithilfe präziser Bahnverfolgung das Schwerefeld des Planeten bestimmen. In Verbindung mit Messungen der Topografie und der Rotation ließ sich daraus der innere Aufbau genauer rekonstruieren. Die Daten zeigten, dass Merkur nicht einfach aus einem großen Eisenkern mit einer gewöhnlichen Gesteinshülle besteht. Der innere Aufbau ist komplexer und unterscheidet sich deutlich von Erde, Venus oder Mars.

Warum Merkur einen so ungewöhnlich hohen Metallanteil besitzt, ist eine der großen Fragen seiner Entstehungsgeschichte. Eine ältere Hypothese geht davon aus, dass ein gewaltiger Einschlag einen großen Teil einer ursprünglichen Gesteinshülle entfernte. Andere Modelle vermuten, dass die Zusammensetzung bereits durch die Bedingungen in der frühen Umgebung der Sonne geprägt wurde.

MESSENGER lieferte wichtige Einschränkungen für solche Modelle, konnte aber nicht endgültig erklären, wie Merkur zu seinem heutigen inneren Aufbau kam.

Warum besitzt Merkur ein Magnetfeld?

Bereits Mariner 10 hatte überraschend festgestellt, dass Merkur ein eigenes Magnetfeld besitzt. Bei einem so kleinen Planeten war das unerwartet, weil kleinere Himmelskörper schneller auskühlen und ein flüssiger, magnetfelderzeugender Kern deshalb eigentlich früh erstarren könnte.

MESSENGER bestätigte nicht nur das Magnetfeld, sondern zeigte eine seiner merkwürdigsten Eigenschaften: Das magnetische Zentrum ist deutlich nach Norden gegenüber dem geografischen Mittelpunkt des Planeten verschoben.

Das Feld entsteht wahrscheinlich durch einen Dynamo im teilweise flüssigen metallischen Kern, ähnlich dem grundlegenden Prinzip des Erdmagnetfeldes. Warum der Merkur-Dynamo jedoch ein so ungewöhnlich asymmetrisches Feld erzeugt, ist weiterhin Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen.

MESSENGER fand darüber hinaus magnetisierte Bereiche in der alten Kruste. Diese Spuren deuten darauf hin, dass Merkur bereits sehr früh in seiner Geschichte ein Magnetfeld besessen haben könnte.

Wie kann es auf Merkur Wassereis geben?

Der überraschendste Fund der Mission befindet sich an den Polen. Dort existieren Einschlagkrater, deren Böden niemals direkt von der Sonne beschienen werden.

Das ist möglich, weil Merkurs Rotationsachse nur sehr gering gegenüber seiner Umlaufbahn geneigt ist. Obwohl die sonnenbeschienene Oberfläche des Planeten extrem heiß werden kann, bleiben bestimmte Bereiche tief in polaren Kratern dauerhaft dunkel und außergewöhnlich kalt.

Schon Radarbeobachtungen von der Erde hatten Anfang der 1990er-Jahre auffällig stark reflektierende Gebiete in den Polarregionen gezeigt. Eine mögliche Erklärung war Wassereis. MESSENGER konnte diese Vermutung schließlich mit mehreren unabhängigen Messmethoden überprüfen.

Bilder und Höhenmodelle zeigten, dass die radarhellen Gebiete tatsächlich in dauerhaft verschatteten Regionen liegen. Der Neutronenspektrometer registrierte dort erhöhte Wasserstoffkonzentrationen. Gleichzeitig lieferten Temperaturmodelle die Bedingungen, unter denen Eis langfristig stabil sein kann. Zusammengenommen bestätigten die Daten, dass die polaren Ablagerungen überwiegend aus Wassereis bestehen.

Wie viel Eis gibt es auf Merkur?

Die genaue Gesamtmenge lässt sich nicht direkt messen. Die Daten zeigen jedoch, dass es sich nicht nur um vereinzelte Eiskristalle handelt. In manchen dauerhaft verschatteten Kratern kann Wassereis unmittelbar an der Oberfläche liegen; andernorts befindet es sich vermutlich unter einer dunklen isolierenden Materialschicht.

Radarmessungen und MESSENGER-Daten sprechen dafür, dass einzelne Ablagerungen mehrere Meter mächtig sein können. Die gesamte Eismenge an den Polen dürfte erheblich sein, auch wenn die Unsicherheiten bei entsprechenden Schätzungen groß bleiben.

Besonders bemerkenswert ist der dunkle Stoff, der einen Teil der Eisablagerungen bedeckt. Eine mögliche Erklärung ist Material, das reich an organischen, kohlenstoffhaltigen Verbindungen ist und gemeinsam mit Wasser durch Kometen oder volatile Asteroiden auf Merkur gelangte. Die genaue Zusammensetzung dieser dunklen Schicht konnte MESSENGER allerdings nicht unmittelbar bestimmen.

Woher stammt das Wasser auf Merkur?

MESSENGER konnte die Herkunft des Eises nicht endgültig klären. Als wahrscheinlich gilt, dass ein erheblicher Teil des Wassers durch Einschläge wasserreicher Asteroiden und Kometen auf den Planeten gelangte.

Bei einem solchen Einschlag wird zwar ein großer Teil des Materials erhitzt und entweicht wieder ins All. Ein Teil der freigesetzten Wassermoleküle kann jedoch über die Oberfläche wandern und schließlich in dauerhaft kalte Polarkrater gelangen. Dort werden sie zu Eis und können sich über sehr lange Zeiträume ansammeln.

Auch andere Quellen sind denkbar. Chemische Reaktionen zwischen dem Sonnenwind und Mineralen der Merkuroberfläche könnten zur Bildung kleiner Wassermengen beitragen. Wie groß die jeweiligen Anteile der verschiedenen Prozesse sind, ist nicht abschließend geklärt.

Die Entdeckung zeigt jedoch, dass Wassereis selbst auf dem sonnennächsten Planeten existieren kann, wenn lokale Bedingungen kalt genug sind. Entfernung von der Sonne allein entscheidet also nicht darüber, ob gefrorenes Wasser auf einem Himmelskörper erhalten bleibt.

Was entdeckte MESSENGER in Merkurs dünner Atmosphäre?

Merkur besitzt keine dichte Atmosphäre wie Erde, Venus oder Mars. Stattdessen ist der Planet von einer extrem dünnen sogenannten Exosphäre umgeben. Die Atome darin stoßen nur selten miteinander zusammen und bewegen sich weitgehend unabhängig voneinander.

MESSENGER untersuchte unter anderem Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Wasserstoff in dieser Umgebung. Einige dieser Stoffe stammen wahrscheinlich von der Oberfläche und werden durch den Sonnenwind, Mikrometeoriteneinschläge sowie temperaturabhängige Prozesse freigesetzt. Die Mission registrierte beispielsweise unerwartet hohe Konzentrationen von Magnesium und Calcium in bestimmten Bereichen.

Durch Merkurs Nähe zur Sonne ist die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld, Oberfläche und Sonnenwind besonders intensiv. Der Planet besitzt zwar eine Magnetosphäre, doch sie ist wesentlich kleiner als die der Erde. Teilchen des Sonnenwinds können deshalb vergleichsweise leicht in die unmittelbare Umgebung des Planeten eindringen.

MESSENGER machte Merkur damit zu einem wichtigen natürlichen Labor für die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen einem Gesteinsplaneten und seinem Stern.

Warum schrumpft der Merkur?

Auf vielen MESSENGER-Aufnahmen sind kilometerlange Steilhänge und Verwerfungen zu erkennen. Sie entstanden, als sich die Kruste des Planeten zusammenzog.

Merkurs Inneres kühlte im Laufe seiner Geschichte ab. Dabei schrumpfte das Volumen des Planeten. Die starre äußere Kruste musste sich dieser kleineren Kugeloberfläche anpassen und wurde zusammengeschoben. An zahlreichen Stellen schob sich Gestein übereinander und bildete die charakteristischen Steilstufen.

MESSENGER fand solche Strukturen auch in Gebieten, die geologisch jünger sind als manche bereits von Mariner 10 beobachteten Regionen. Das deutet darauf hin, dass die Kontraktion länger anhielt, als zuvor angenommen worden war.

Der Planet hat sich im Verlauf seiner Geschichte insgesamt um mehrere Kilometer im Radius zusammengezogen. Das klingt wenig, reicht jedoch aus, um ein globales Netz gewaltiger tektonischer Strukturen zu erzeugen.

Warum wurde MESSENGER auf Merkur zum Absturz gebracht?

Nach mehr als vier Jahren im Orbit ging MESSENGER schließlich der Treibstoff aus. Die starke Anziehungskraft der Sonne störte die Bahn ständig, sodass regelmäßige Korrekturmanöver notwendig waren. Gegen Ende der Mission nutzten die Flugingenieure sogar Helium, das ursprünglich zur Druckbeaufschlagung des Treibstoffsystems diente, um die Sonde noch einige Wochen länger auf ihrer Umlaufbahn zu halten.

In dieser letzten Phase flog MESSENGER zeitweise nur wenige Kilometer über der Merkuroberfläche und konnte besonders detaillierte Messungen vornehmen. Schließlich gab es jedoch keine Möglichkeit mehr, die absinkende Umlaufbahn anzuheben.

Am 30. April 2015 schlug MESSENGER auf der abgewandten Seite des Merkur ein. Die Sonde erzeugte dabei einen neuen kleinen Krater und wurde selbst Teil der Landschaft, die sie mehr als vier Jahre lang untersucht hatte.

Was war die wichtigste Entdeckung von MESSENGER?

MESSENGER veränderte praktisch jeden wichtigen Bereich unseres Wissens über Merkur. Die Mission kartierte erstmals den gesamten Planeten, zeigte eine von Vulkanismus und tektonischer Schrumpfung geprägte Geschichte, untersuchte seinen außergewöhnlich großen Kern und offenbarte ein ungewöhnlich verschobenes Magnetfeld. Sie entdeckte die rätselhaften Hollows und zeigte, dass Merkur erheblich mehr flüchtige Elemente enthält, als viele ältere Entstehungsmodelle erwarten ließen.

Am eindrucksvollsten bleibt jedoch das Wassereis.

Auf einer Welt, deren Tagseite heiß genug wird, um Blei zu schmelzen, befinden sich in dauerhaft dunklen Kratern gefrorene Ablagerungen. MESSENGER zeigte damit auf besonders anschauliche Weise, dass selbst extreme Planeten nicht einfach anhand ihrer Entfernung zur Sonne verstanden werden können. Licht, Schatten, Rotation, Geologie und die Geschichte von Einschlägen können auf demselben kleinen Planeten völlig gegensätzliche Umgebungen schaffen.

Als MESSENGER 2015 auf Merkur einschlug, war der Planet kein weitgehend unbekannter grauer Körper mehr. Die Sonde hatte aus ihm eine komplexe Welt gemacht – mit Vulkanen, einem aktiven Inneren, ungewöhnlichen Oberflächenformen und Eis in ewiger Dunkelheit.

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Quellen
▪︎ NASA – MESSENGER Mission und wissenschaftliche Ergebnisse
▪︎ Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory – MESSENGER und Merkurforschung
▪︎ Lawrence et al., Science – Nachweis wasserstoffreicher Ablagerungen an Merkurs Nordpol
▪︎ Neumann et al., Science – Oberflächenreflexion und Wassereis in dauerhaft verschatteten Merkurkratern
▪︎ Paige et al., Science – Thermische Stabilität der polaren Eisablagerungen auf Merkur
▪︎ Solomon et al., Science – Geologie, Magnetfeld und innerer Aufbau des Merkur
▪︎ NASA National Space Science Data Center – MESSENGER Missionsverlauf und Instrumente