Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 18. Juli 2023.

18. Juli 2023 – Die Polarlichter des Merkurs sind nicht wie die der Erde mit dem bloßen Auge sichtbar, sondern strahlen ausschließlich Röntgenlicht aus. In der heutigen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications beschreibt eine Forschergruppe, zu der auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen zählen, wie Sonnenwind-Elektronen auf dem Planeten prasseln und so das hochenergetische Leuchten auslösen. Dafür wertete das Team Daten aus, welche die europäisch-japanische Raumsonde BepiColombo bei ihrem Vorbeiflug am Merkur Anfang Oktober 2021 aufgenommen hatte. Die Auswertungen zeichnen erstmals detailliert nach, wie die Polarlichter des sonnennächsten Planeten entstehen. Zudem legen die Daten nahe, dass trotz unterschiedlichster Bedingungen im Sonnensystem, Polarlichter immer auf denselben Prozess zurückzuführen sind.

Neben der Erde schmücken sich auch andere Planeten im Sonnensystem mit einem auffälligen Leuchten über ihren Polarregionen. Die gewaltigen Polarlichter des Jupiters etwa erstrecken sich über eine Fläche mit einem Durchmesser von mehr als 40.000 Kilometern. Dass am Nord- und Südpol des Merkurs extrem energiereiche Röntgenpolarlichter auftreten können, hatten bereits die amerikanischen Raumsonden Mariner 10 in den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts und MESSENGER in der Zeit von 2011 bis 2015 beobachtet. Wie auf der Erde lösen geladene Teilchen des Sonnenwinds, die im Magnetfeld des Planeten eingefangen werden, das Phänomen aus. Während auf der Erde die Sonnenwind-Teilchen jedoch auf die Atmosphäre treffen und dort Moleküle ionisieren, bietet der Merkur keine solch schützende Hülle. Ihn umgibt nur eine so genannte Exosphäre, eine ausgesprochen dünne Gasschicht. Die Sonnenwindteilchen treffen deshalb direkt auf die Oberfläche des Planeten.

Vorbeiflug mit guter Sicht
„Wie genau die Polarlichter des Merkurs entstehen, war bisher nicht geklärt“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz, Koautor der aktuellen Studie und Mitglied im Team des BepiColombo-Instruments Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE). Die Flugbahnen von Mariner 10 und MESSENGER ließen lediglich einen Blick auf die Nordhalbkugel des Planeten zu. Zudem konnten beide Missionen nicht die Elektronen in der Umgebung des Merkurs untersuchen. Ein vollständiges Bild des Entstehungsprozesses konnte sich so nicht ergeben. Die neuen Messdaten von BepiColombo schaffen nun eine völlig neue Situation.

Im Oktober 2018 startete die Merkursonde BepiColombo ins All und wird 2025 in eine Umlaufbahn um den Merkur einschwenken. Bis zur Ankunft stehen insgesamt sechs Vorbeiflüge am Zielplaneten im Missionsplan; der erste ereignete sich im Oktober 2021. Aus einer Entfernung von etwa 200 Kilometern hatte dabei das Instrument MPPE Gelegenheit, Verteilung und Energien der Teilchen in der Umgebung des Merkur genau zu bestimmen. Das Instrument besteht aus mehreren Sensoren, von denen jeder auf Teilchen einer bestimmten Sorte und Geschwindigkeit spezialisiert ist. Das MPS hat zu Entwicklung und Bau des Massenspektrometers von MPPE beigetragen.

Ein „Regen“ aus Elektronen
Beim Vorbeiflug vor 21 Monaten konnte MPPE erstmals Messungen über der nördlichen Nachtseite sowie erstmals über der Tagseite der Südhalbkugel durchführen und so die Struktur der Magnetosphäre, des Einflussbereichs des planetaren Magnetfeldes, und ihrer Grenze, der Magnetopause, bestimmen. Wie bei der Erde ist die Merkur-Magnetosphäre auf der sonnenabgewandten Seite zu einem langen Schwanz verzerrt; auf der sonnenzugewandten Seite zeigte sie sich stark gestaucht. „Der Sonnenwind muss zum Zeitpunkt der Messungen besonders kräftig gewesen sein“, folgert MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp, ebenfalls Koautor der Studie und Mitglied des MPPE-Teams.

Zudem konnte MPPE den Entstehungsprozess der Merkur-Polarlichter genau nachverfolgen. Aus dem Schwanz der Magnetosphäre kommend bewegen sich hochenergetische Elektronen entlang der Magnetfeldlinien auf den Planeten zu. Dort „regnen“ sie auf ihn hinunter und wechselwirken so an den Polen mit dem Material an seiner Oberfläche. Dabei werden Moleküle ionisiert, die ihrerseits als Folge hochenergetische Röntgenstrahlung abstrahlen.

„Zum ersten Mal konnten wir beobachten, wie Elektronen in der Magnetosphäre des Merkurs beschleunigt und auf die Planetenoberfläche geschleudert werden. Obwohl die Magnetosphäre des Merkurs viel kleiner ist als die der Erde und eine andere Struktur und Dynamik aufweist, haben wir die Bestätigung, dass der Mechanismus, der Polarlichter erzeugt, im gesamten Sonnensystem der gleiche ist“, so Erstautorin Dr. Sae Aizawa vom Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie im französischen Toulouse. Seit Kurzem forscht die Wissenschaftlerin am Institute of Space and Astronautical Science der japanischen Weltraumbehörde JAXA und an der Universität von Pisa in Italien.

In den nächsten Jahren wir BepiColombo noch dreimal dicht am Merkur vorbeifliegen. Die nächste Begegnung ist für September nächsten Jahres (2024) geplant.

Originalveröffentlichung
Sae Aizawa et al.: Direct evidence of substorm-related impulsive injections of electrons at Mercury, Nature Communications, 18. Juli 2023, dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39565-4,
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39565-4,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-39565-4.pdf.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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Quelle: ESA.

28. September 2021 – Nach dem letzten Vorbeiflug an der Venus im August steht am 1. Oktober um 23:34 Uhr UTC (2. Oktober um 01:34 Uhr MESZ) die nächste spannende Begegnung mit dem Merkur an. Die Raumsonde wird in einer Höhe von etwa 200 km an dem Planeten vorbeifliegen und dabei Bilder und wissenschaftliche Daten erfassen, die den Wissenschaftlern einen ersten Vorgeschmack auf die Hauptmission geben werden.

Die Mission besteht aus zwei wissenschaftlichen Orbitern, die im Jahr 2025 mit dem Merkur-Transfermodul in komplementäre Umlaufbahnen um den Planeten gebracht werden sollen. Der von der ESA geleitete Merkur-Planetenorbiter und der von der JAXA geleitete Merkur-Magnetosphären-Orbiter, Mio, werden alle Aspekte dieses geheimnisvollen inneren Planeten untersuchen, von seinen Prozessen im Kern bis zu seiner Oberfläche, dem Magnetfeld und der Exosphäre, um die Entstehung und Entwicklung eines Planeten in der Nähe seines Muttersterns besser zu verstehen.

BepiColombo wird insgesamt neun Vorbeiflüge an Planeten absolvieren: einen an der Erde, zwei an der Venus und sechs am Merkur, um zusammen mit dem solarelektrischen Antriebssystem der Sonde in die Merkurumlaufbahn zu gelangen.

Vorbereitung auf die Merkur-Mission
Vorbeiflüge unter Ausnutzung der Gravitation erfordern eine äußerst präzise Navigation im Weltraum, um sicherzustellen, dass sich die Sonde auf der richtigen Flugbahn befindet.

Eine Woche nach dem letzten Vorbeiflug von BepiColombo am 10. August wurde ein Korrekturmanöver durchgeführt, um die Sonde für diesen ersten Vorbeiflug am Merkur in einer Höhe von 200 km etwas besser auszurichten. Gegenwärtig wird der Vorbeiflug am innersten Planeten in 198 km Höhe vorhergesagt, und kleine Anpassungen können nach dem Vorbeiflug mit Hilfe des solarelektrischen Antriebs leicht vorgenommen werden.

Da BepiColombo mehr als 100 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist und das Licht 350 Sekunden (etwa sechs Minuten) braucht, um sie zu erreichen, ist es keine leichte Aufgabe, das Ziel bis auf zwei Kilometer genau zu treffen.

„Es ist unseren bemerkenswerten Bodenstationen zu verdanken, dass wir die Position unserer Sonde so genau kennen. Mit diesen Informationen weiß das Team für Flugdynamik im ESOC genau, wie viel wir manövrieren müssen, um an der richtigen Stelle für die Gravitationshilfe von Merkur zu sein“, erklärt Elsa Montagnon, Spacecraft Operations Manager für die Mission.

„Wie so oft wurde die Flugbahn unserer Mission so sorgfältig geplant, dass für den bevorstehenden Vorbeiflug keine weiteren Korrekturmanöver zu erwarten sind. BepiColombo ist auf Kurs.“

Erster Anblick von Merkur
Während der Vorbeiflüge ist es nicht möglich, hochauflösende Bilder mit der Hauptkamera aufzunehmen, da diese während des Vorbeiflugs durch das Transfermodul verdeckt wird. Zwei der drei Überwachungskameras (MCAMs) von BepiColombo werden jedoch ab etwa fünf Minuten nach dem Zeitpunkt der dichten Annäherung und bis zu vier Stunden danach Bilder aufnehmen. Da BepiColombo auf der Nachtseite des Planeten ankommt, sind die Bedingungen nicht ideal, um Bilder direkt bei der größten Annäherung aufzunehmen. Daher wird das nächste Bild aus einer Entfernung von etwa 1000 km aufgenommen.

Das erste Bild, das per Downlink gesendet wird, wird etwa 30 Minuten nach der größten Annäherung aufgenommen und wird voraussichtlich am Samstagmorgen gegen 08:00 Uhr MESZ für die Öffentlichkeit verfügbar sein. Die Bilder der dichten Annäherung und die nachfolgenden Bilder werden im Laufe des Samstagmorgens nacheinander übertragen.

Die Kameras liefern Schwarz-Weiß-Schnappschüsse in einer Auflösung von 1024 x 1024 Pixeln und sind auf dem Merkur-Transfermodul so positioniert, dass sie auch die Solaranlagen und Antennen der Raumsonde erfassen. Da die Sonde während des Vorbeiflugs ihre Ausrichtung ändert, wird der Merkur hinter den Strukturelementen der Sonde vorbeiziehen.

Grundsätzlich wird MCAM-2 in Richtung der nördlichen Hemisphäre des Merkurs zeigen, während MCAM-3 in Richtung der südlichen Hemisphäre zeigen wird. Während der halben Stunde nach der dichten Annäherung werden die Bilder abwechselnd von den beiden Kameras aufgenommen. Später werden die Aufnahmen von MCAM-3 gemacht.

Bei den Aufnahmen aus nächster Nähe sollte es möglich sein, große Einschlagkrater auf der Oberfläche des Planeten zu erkennen. Die Oberfläche von Merkur ist mit Kratern übersät, ähnlich wie der Erdmond, was die 4,6 Milliarden Jahre alte Geschichte des Planeten belegt. Die Kartierung der Merkuroberfläche und die Analyse ihrer Zusammensetzung werden den Wissenschaftlern helfen, mehr über seine Entstehung und Entwicklung zu erfahren.

Obwohl BepiColombo für die Vorbeiflüge eine „aufeinander gesteckte“ Flugkonfiguration hat, werden einige der wissenschaftlichen Instrumente auf beiden Planetenorbitern betrieben werden können, was einen ersten Eindruck von der magnetischen, Plasma- und Teilchenumgebung des Planeten vermitteln wird.

„Wir freuen uns sehr auf die ersten Ergebnisse aus Messungen, die so nahe an der Oberfläche des Merkurs durchgeführt wurden“, sagt Johannes Benkhoff, Projektwissenschaftler für BepiColombo bei der ESA. „Als ich im Januar 2008 meine Arbeit als Projektwissenschaftler an BepiColombo aufnahm, nahm die NASA-Mission MESSENGER ihren ersten Vorbeiflug an Merkur vor. Jetzt sind wir an der Reihe. Das ist ein fantastisches Gefühl!“

Zur Feier des Namensgebers von BepiColombo
Der bevorstehende erste Merkurvorbeiflug fällt auf den 101. Geburtstag von Giuseppe „Bepi“ Colombo (2. Oktober 1920 – 20. Februar 1984), einem italienischen Wissenschaftler und Ingenieur, nach dem die BepiColombo-Mission benannt ist. Colombo erkannte, dass die Schwerkraft eines Planeten durch die sorgfältige Wahl des Vorbeiflugpunkts einer Raumsonde beim Vorbeiflug an einem Planeten dieser zu weiteren Vorbeiflügen verhelfen kann. Seine interplanetaren Berechnungen ermöglichten es der NASA-Raumsonde Mariner 10, drei Vorbeiflüge am Merkur statt einem durchzuführen, indem sie einen Vorbeiflug an der Venus nutzte, um die Flugbahn der Sonde zu ändern. Dies war die erste von vielen Raumsonden, die ein solches Manöver, das von der Schwerkraft unterstützt wurde, nutzten.

Nach der Mission von Mariner 10 in den Jahren 1974-75 flog die NASA-Raumsonde MESSENGER in den Jahren 2008-09 dreimal am Merkur vorbei und umkreiste den Planeten vier Jahre lang (2011-2015). Die BepiColombo-Mission wird auf den Erfolgen ihrer Vorgänger aufbauen und das bisher beste Verständnis des innersten Planeten des Sonnensystems liefern.

Den Vorbeiflug verfolgen
Folgen Sie auf dem Kurznachrichtendienst Twitter @Esaoperations und @bepicolombo zusammen mit @ESA_Bepi, @ESA_MTM und @JAXA_MMO für Updates.

Das erste Bild wird voraussichtlich am frühen Samstagmorgen des 2. Oktober (wahrscheinlich um 08:00 Uhr MESZ) veröffentlicht; weitere Bilder können im Laufe des Tages am Samstag und/oder Montag, dem 4. Oktober, veröffentlicht werden. In der Woche nach dem Vorbeiflug werden möglicherweise zusätzliche wissenschaftliche Kommentare veröffentlicht werden. Die Zeiten können sich je nach den tatsächlichen Ereignissen auf der Raumsonde und der Verfügbarkeit der Bilder ändern.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

Oktober 2019 – Wer ihn in diesem Jahr verpasst, wird dreizehn Jahre auf den nächsten warten müssen… Die Rede ist vom Merkurtransit, einer Konstellation, bei der Merkur an der Sonne vorbeizieht und von der Erde aus (mit Teleskopen) als schwarzer Fleck auf der Sonnenscheibe zu sehen ist. Am Montag, 11. November 2019, wird dieses Himmelsphänomen über Europa zu beobachten sein. Mit Vorträgen, Shows im mobilen Planetarium, Beobachtungen des Transits mit Sonnenteleskopen und weiteren Aktionen bieten das Institut für Astrophysik der Universität Göttingen (IAG), das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) und der Förderkreis Planetarium Göttingen (FPG) in der Zeit von 13 bis 18 Uhr am Nordcampus ein umfangreiches Rahmenprogramm für das Schauspiel am Himmel.

Merkur ist der kleinste und sonnennächste Planet. Etwa alle 116 Tage überholt er auf seiner Innenbahn die Erde. Aber nur wenn dieses in der Nähe der Schnittlinie zwischen Merkur- und Erdbahnebene geschieht, kommt es zu einem Merkurtransit. Dies passiert etwa 13 bis 14 Mal im Jahrhundert und ist aufgrund der Bahngeometrie nur zwischen dem 6. und dem 11. Mai oder zwischen dem 6. und dem 15. November möglich. Während der letzte Merkurtransit vor etwas mehr als drei Jahren zu sehen war, wird der nächste erst für 2032 erwartet.

Der diesjährige Transit beginnt in der Mittagszeit. Um 13.35 Uhr schiebt sich der Planet vor die Sonne. Die Mitte der Sonnenscheibe erreicht er um 16.19 Uhr. Wenige Minuten später geht die Sonne unter.

Wegen der geringen Größe des Merkurs wird dies alles nur mit Hilfe von Teleskopen zu sehen sein. Auf der Beobachtungsplattform des IAG stehen deshalb drei Sonnenteleskope bereit, die den Besucherinnen und Besuchern einen gefahrlosen und hochaufgelösten Blick auf die Sonne ermöglichen. Nach Sonnenuntergang lassen sich von dort auch die Planeten Venus, Jupiter und Saturn ausmachen.

Auch am benachbarten MPS dreht sich an diesem Nachmittag alles um Sonne, Merkur und Planetentransite. Um 15 Uhr beantwortet MPS-Wissenschaftler Dr. René Heller in einem Vortrag für Kinder und Jugendliche die Frage „Wie findet man einen Exoplaneten?“ Bei der Suche nach solchen Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems setzen Forscherinnen und Forscher auf Transite: Wenn der Planet vor seinem Stern vorbeizieht, verdunkelt sich der Stern leicht – und verrät so seinen planetaren Begleiter. Die Entdeckung des ersten Exoplaneten vor 24 Jahren wurde vor wenigen Wochen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Ebenfalls für Kinder geeignet sind die Shows im mobilen Planetarium des FPG, das im Foyer des MPS aufgebaut sein wird. Um 13 Uhr und 16 Uhr laufen mit „Das Phantom des Universums“ und „Europas Weg zu den Sternen“ Shows, die sich an Kinder ab 10 Jahren sowie an Jugendliche und Erwachsene richten. Während die erste Show die Besucherinnen und Besucher auf die Suche nach der geheimnisvollen Dunklen Materie führt, nimmt die zweite die Zuschauerinnen und Zuschauer mit auf eine epische Reise hinter die Kulissen des leistungsstärksten bodenbasierten Observatoriums der Welt. Um 14 Uhr kommen die jüngeren Weltraumbegeisterten zu ihrem Recht. Die Show „Polaris – Das Rätsel der Polarnacht“ entführt Kinder ab einem Alter von 5 Jahren auf eine spannende Reise um die Erde, zum Mars und zum Saturn.

Nach Sonnenuntergang um 17 Uhr bietet Prof. Dr. Wolfgang Müller von der Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) einen Vortrag zum Thema „Planetentransite und die Vermessung des Weltalls“. Dabei spannt er einen breiten Bogen von historischen Expeditionen zur Beobachtung von Venus-Transits bis zum Nobelpreis für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums.

Zudem werden Live-Bilder des Merkurtransits aufgenommen von der NASA-Raumsonde Solar Dynamics Observatory gezeigt, die gemeinsame Astro-AG des Otto-Hahn-Gymnasiums und des Felix-Klein-Gymnasiums ist mit einem Stand vertreten und es gibt Waffeln und Getränke.

Für die Vorträge und Planetariumshows ist keine Anmeldung erforderlich. Der Eintritt ist kostenlos. Für die Vorstellungen im Planetarium werden Einlasskarten vor Ort ausgegeben. Nach Beginn der Vorstellungen ist kein Einlass möglich.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: University of Arizona.

Michael Sori, Mitarbeiter im Lunar and Planetary Laboratory der UA, nutzte neuste mathematische Modelle und kam mit ihrer Hilfe auf eine Dicke von Merkurs Kruste von rund 25,75 Kilometern. Gleichzeitig ermittelte er, dass die durchschnittliche Dichte der Kruste über der von Aluminium liegen müsse. Seine Erkenntnisse veröffentlichte Sori in der Studie „A Thin, Dense Crust for Mercury“ („Eine dünne, dichte Kruste für Merkur“).

Sori benutzte für seine Berechnungen Daten, die Messenger geliefert hatte. Das mathematische Modell, das Sori verwendete, geht auf Isamu Matsuyama und Douglas Hemingway zurück, ersterer ist Professor am Lunar and Planetary Laboratory der UA, letzterer Wissenschaftler an der University of California (UC).

Die neuen Berechnungsergebnisse stützen die Annahme, dass die Kruste Merkurs im wesentlichen durch vulkanische Aktivität geformt wurde. Ein besseres Verständnis der Krustenbildung könnte auch zu einem besseren Verständnis der Entstehung des Planeten mit seiner eigentümlichen Struktur führen. Laut Sori hat Merkur beispielsweise den im Verhältnis zu seinen Gesamtabmessungen größten Kern aller Planeten in unserem Sonnensystem.

Der Kern von Merkur nimmt derzeitigen Annahmen zufolge rund 60 Prozent des Volumens des Planten ein. Der Erdkern beansprucht dagegen nur rund 15 Prozent des Erdvolumens.

Warum ist der Kern Merkurs so groß? Sori denkt, dass Merkur nach einem anfangs normal verlaufendem Entstehungsprozess auf Grund heftiger Einschläge große Teile seiner Kruste und seines Mantels verloren haben könnte. Für vorstellbar hält Sori auch, dass während der Entstehung Merkurs in relativer Sonnennähe der Einfluss des Sterns maßgeblichen Einfluss auf den Entstehungsprozess hatte. Sonnenwind könnte Material weggeblasen haben. Deshalb hätte Merkur dann früh in seiner Entwicklung einen bezogen auf sein Gesamtvolumen anteilig sehr großen Kern gehabt. Bis dato jedenfalls gibt es keine allgemein akzeptierte Antwort auf die Frage.

Als die Planeten im Sonnensystem und der Mond der Erde entstanden, bildeten sich ihre Krusten aus Mantelmaterial, das an die Oberfläche quoll und sich dort im Verlauf von Millionen von Jahren verteilte. Die Menge von Krustenmaterial repräsentiert den Anteil an Mantelmaterial, das an der Oberfläche schließlich zu Fels erstarrte.

Vor Soris Studie nahmen führende Wissenschaftler an, rund 11 Prozent von Merkurs ursprünglichem Mantel seien in felsige Kruste verwandelt worden. Beim Erdmond besteht die Kruste nach derzeitigen Erkenntnisstand aus rund 7 Prozent des Materials seines ursprünglichen Mantels. Laut Sori war der unterschiedliche Mantelmaterialanteil auf Grund der unterschiedlichen Entstehungsbedingungen der beiden Himmelskörper nicht notwendigerweise auffällig.

Die Kruste des Mondes bildete sich, als weniger dichtes mineralisches Material an die Oberfläche eines Ozeans aus flüssigem Fels (Magma) drang. Dichteres flüssiges Material bildete den Mantel. Oben auf dem Magmaozean kühlte sich aufgeschwommenes Material ab und bildete eine harte Kruste, die auf dem Mantel schwimmt. Die Kruste Merkurs dagegen ist gekennzeichnet durch eine riesige Anzahl von Vulkanausbrüchen, welche immer wieder heißes Magma an die Oberfläche beförderten und so eine relativ ebene, von erkalteter Lava geformte Kruste bildeten.

Warum der Krustenmaterialanteil bei Merkur höher liegen sollte war eine Eigentümlichkeit, der auf den Grund zu gehen bisher niemandem gelungen war. Jetzt könnte die Angelegenheit zu den Akten gelegt werden: Nach Soris Untersuchungen dürfte der Krustenmaterialanteil auch bei Merkur im Bereich von 7 Prozent des ursprünglichen Mantels liegen.

Sori nutze bei seinen Untersuchungen Abschätzungen von Dicke und Dichte der Kruste Merkurs, wofür er herausfinden musste, auf welchen Mechanismen der Gleichgewichtszustand (Isostasie) zwischen den Massen der Kruste und des Mantels darunter basiert.

Die natürlichste Form, die ein Himmelskörper theoretisch einnehmen kann, ist eine ideale Kugel, bei der alle Punkte der Oberfläche gleich weit vom Kern des Körpers entfernt sind. Isostasie sorgt aber dafür, dass Strukturen wie Berge und Täler an der Oberfläche erhalten bleiben.

Isostasie verursacht einen auf gleichgroße Oberflächenanteile bezogenen Massenausgleich. Ist die Masse eines Oberflächenanteils größer, wird solange Material auf die Kruste befördert, bis alle Anteile wieder die gleiche Masse besitzen.

Die Pratt-Isostasie unterstellt, dass die Kruste eines Planeten Dichte-Variationen ausweist. Ein mit Bergen bedeckter Oberflächenanteil könnte deshalb die gleiche Masse wie ein gleich großer Oberflächenanteil mit flacher Oberfläche haben, wenn das Material, aus dem die Berge auf der Kruste bestehen, weniger dicht ist als das des flachen Landes. Die Grenze zum Mantel sei bei allen Oberflächenanteilen unabhängig von Gestalt und Dichte auf dem selben Niveau.

Vor Sori hat kein Wissenschaftler untersucht, ob bei Merkur Pratt-Isostasie vorliegt oder nicht. Sori nun hatte die Möglichkeit, auf eine topographische Karte Merkurs, also auf einen Katalog mit Daten zu Merkurs Oberflächenstrukturen, zuzugreifen. Eine Karte zu Daten der Dichteverteilung an Merkurs Oberfläche fehlte. Vorhanden waren aber Messdaten von Messenger zur Verteilung chemischer Elemente auf der Oberfläche Merkurs. Mit ihrer Hilfe erstellte Sori ein Modell für die Dichteverteilung.

Bekannt ist, aus welchen Mineralen Fels üblicherweise besteht, und aus welchen chemischen Elementen sich diese Minerale zusammensetzen. In einem bestimmten Mineral ist ein bestimmtes Element anteilig in einer bestimmten Menge enthalten. Weil auch die Dichte der Minerale bekannt ist, wurde die Erstellung einer Karte zur Dichteverteilung möglich.

Beim Vergleich der Karten zu Dichteverteilung und zur Topographie trat Erstaunliches zu Tage. Man hätte erwarten könnte, das an Stellen der Oberfläche, für die die Topographische Karte Berge zeigen, auf der Karte für die Dichte-Variationen weniger dichtes Material an gezeigte wird, und für Stellen mit Tälern Material mit höherer Dichte. Beim Vergleich der Karten fiel jedoch auf, dass sich dichtes Material auch in Bergregionen fand, und weniger dichtes in Gebieten mit Tälern.

Die durch Messenger erfassten Daten zur Verteilung chemischer Elemente und das von Sori daraus entwickelte Modell zur Dichteverteilung passen offensichtlich nicht zur Annahme, dass es auf Merkur Pratt-Isostasie gibt. Liegt also eine andere Form von Isostasie vor?

Die Airy-Isostasie geht davon aus, dass die Höhe oder Mächtigkeit von Krustenabschnitten abhängig von der Topographie der Oberfläche erheblich variiert. Dort, wo an der Planetenoberfläche ein Berg zu sehen ist, könnte es am unteren Ende der Kruste ein Art nach unten zeigende Wurzel geben. Dabei könnten Berg und Wurzel genau die Masse an Mantelmaterial verdrängen, die sie selbst zusammen besitzen, genau so wie ein Eisberg mit seinen über und unter Wasser liegenden Bereichen und Massen in Summe die gleiche Masse an Wasser verdrängt. Auf Merkur sollte die Kruste in tiefliegenden Bereichen wie Kratern recht dünn sein, der Mantel nicht weit entfernt von der Oberfläche. Ein gebirgiger Planetenausschnitt würde die gleiche Dichte haben wie einer mit Kratern an der Oberfläche.

Für eine zweidimensionale Betrachtung funktionierte die beschriebene Betrachtungsweise laut Sori perfekt, für einen sphärischen Körper jedoch nicht wirklich gut. Eine jüngst von Isamu Matsuyama und Douglas Hemingway entwickelte Formel half aber. Sie verwendet den Druck, den die Kruste auf den Mantel ausübt, um die Mächtigkeit der Kruste zu bestimmen, statt eine Beziehung der Massen von Krusten- und Mantelanteilen, und liefert damit genauere Daten.

Sori ist sich sicher, dass sich seine Einschätzung zur Dicke der Kruste, die sich insbesondere auf Merkurs Nordhalbkugel bezieht, bestätigen wird, wenn weitere Daten am Merkur gesammelt werden können. Hinsichtlich seiner Abschätzung zur Dichte der Kruste ist Sori indes nicht so sicher.

Messenger hat zur Nordhalbkugel Merkurs deutlich mehr Daten erfasst als zur Südhalbkugel. Sori glaubt, dass sich die Abschätzung der Dichte der Oberfläche noch ändern wird, wenn mehr Daten zur gesamten Oberfläche vorliegen. Eine Anschlussstudie hält er schon jetzt für erforderlich.

Die nächste Raumsonde, die Merkur erreichen wird, ist BepiColombo. Das Raumfahrzeug entstand in einer Zusammenarbeit der Europäischen Raumfahrtagentur (European Space Agency, ESA) und der japanischen Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA). Es soll nach derzeitigem Planungsstand am 5. Oktober 2018 auf einer Ariane-5-ECA-Rakete gestartet werden. Einen Orbit um Merkur würde BepiColombo, wenn alles gut geht, dann am 5. Dezember 2025 erreichen.

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• Planet Merkur

Der Beitrag Planet mit dünner, dichter Kruste – Merkur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

Bis vor Kurzem fehlte noch einer kleiner Teil, durch Messenger aufgenommene Bilder lagen nur für rund 99,99 Prozent der Oberfläche von Merkur vor. Die jüngst erfolgte Übertragung eines Bildes – einer Aufnahme der Nordpol-Region – durch Messenger zur Erde vervollständigte die Datensammlung.

Vor dem Einsatz von Messenger, der am 3. August 2004 von Cape Canaveral in Florida gestartet wurde und seit dem 18. März 2011 um Merkur kreist, lag über die Hälfte der Oberfläche von Merkur sprichwörtlich im Dunkeln. Die jetzt bei der Datenerfassung erreichte globale Abdeckung ist eine wertvolle Hilfe für Wissenschaftler, die die Geschichte des Planeten und die Bildung der Formationen an seiner Oberfläche untersuchen.

Außerdem konnte durch Messenger auch eine kleine Menge an höchstaufgelöstem Datenmaterial gewonnen werden. Auch diese Daten, darunter Farbphotos, Reflektionsspektren, chemische Messwerte und topographische Informationen, erweiterten täglich das Wissen über Merkur. In keinem der genannten Teilbereiche hat man bisher auch nur annähernd eine globale Abdeckung erreicht. Mehr Daten verspricht man sich von einer neuerlichen Missionserweiterung.

Während seiner einjährigen Primärmission beim Merkur erfasste Messenger 88.746 Bilder und andere Datensätze. Jetzt, in der Nähe des Abschlusses einer einjährigen Missionserweiterung, liegen über 80.000 zusätzliche Bilder und andere Datensätze vor. Sie lieferten bereits eine ganze Reihe von Hinweisen darauf, wie die Kruste von Merkur entstand und sich veränderte, warfen aber auch zahlreiche neue Fragen auf. Bei der Beantwortung dieser Fragen sollen Daten helfen, die man mit weiteren gut geplanten, gezielten Beobachtungseinsätzen von Messenger generieren möchte.

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• Messenger

Der Beitrag Oberfläche vom Merkur zu einhundert Prozent erfasst erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft, Science. Vertont von Peter Rittinger.

Der Merkur, der sonnennächste und mit einem Durchmesser von rund 4.880 Kilometern zugleich der kleinste der acht Planeten unseres Sonnensystems, gleicht von seinem äußeren Erscheinungsbild her eher dem irdischen Mond als unserem Heimatplaneten. Allerdings bestehen auch deutlich erkennbare Übereinstimmungen mit der Erde. So verfügt auch der Merkur im Gegensatz zu den beiden weiteren terrestrischen Planeten in unserem Sonnensystem, der Venus und dem Mars, wie auch die Erde über ein globales und somit den gesamten Planeten umfassendes Magnetfeld. Dieses den Merkur umgebende Magnetfeld fällt allerdings deutlich schwächer aus als das Magnetfeld unseres Heimatplaneten.

Planetare Magnetfelder werden durch konvektive Strömungen in den heißen, flüssigen Metallkernen der terrestrischen Planeten erzeugt. Die in den Jahren 1974 und 1975 durchgeführten Messungen der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Planetensonde Mariner 10 haben gezeigt, dass auch der Merkur über ein solches Magnetfeld und somit auch über einen flüssigen Kern verfügt.

Nach den aktuellen Standardmodellen der Planetenforschung sollte der Dynamoeffekt im flüssigen Kern des Merkur ähnliche Feldstärken erzeugen wie bei der Erde. Merkurs Magnetfeld fällt allerdings laut der aktuellen Messungen des ebenfalls von der NASA betriebenen Merkurorbiters Messenger, welcher sich seit dem 18. März 2011 in einem Merkurorbit befindet (Raumfahrer.net berichtete), etwa 150-mal schwächer aus als das Magnetfeld der Erde.

Wissenschaftler der Technischen Universität Braunschweig sowie des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau haben jetzt eine Erklärung für diesen ungewöhnlichen Vorgang gefunden, welche am gestrigen Donnerstag in der Fachzeitschrift „Science“ publiziert wurde. Demnach soll der vom Zentralgestirn unseres Sonnensystems ausgehende Sonnenwind dem inneren Dynamoprozess des Merkurs aktiv entgegenwirken und dabei dessen Magnetfeld abschwächen. Mit einer mittleren Entfernung von lediglich etwa 58 Millionen Kilometern, dies entspricht rund einem Drittel des Abstandes der Erde zu unserem Zentralgestirn, ist Merkur diesem Partikelstrom aus geladenen Teilchen besonders stark ausgesetzt.

„Wir müssen uns klarmachen, dass Merkur mit dem ihn umgebenden Sonnenwind eine enge Wechselwirkung eingeht“, so Daniel Heyner, der Erstautor der publizierten Studie und Doktorand an der „International Max Planck Research School“ in Katlenburg-Lindau. Dieser Effekt führt zu starken elektrischen Strömen in der Magnetosphäre des Merkur. Die Magnetfelder dieser Ströme aus geladenen Teilchen würden dabei dem inneren Dynamoprozess entgegenwirken. Die von dem Team um Daniel Heyner erstellten Computermodelle zeigen, dass ein auf diese Weise rückgekoppelter Dynamo in der Praxis tatsächlich möglich ist.

„Derartige Simulationen des Dynamoprozesses sind die einzige Möglichkeit, gewissermaßen in den Eisenkern [des Merkur] hineinzuschauen und Vorhersagen zur Stärke und Struktur des Magnetfelds zu treffen“, so Johannes Wicht vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, der mit seinem Modell wesentlich zu den Ergebnissen der kürzlich publizierten Studie beigetragen hat. Die Ergebnisse der Simulation zeigen eindeutig, dass die Rückkopplung letztlich zu dem schwachen Magnetfeld führt. „Der Dynamoprozess im Merkurinnern wird durch die Wechselwirkung fast im Keim erstickt“, ergänzt Karl-Heinz Glaßmeier von der TU Braunschweig.

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• Planet Merkur
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Science:

• Abstract des Fachartikels (engl.)

Der Beitrag Das Magnetfeld des Planeten Merkur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Klaus Donath. Quelle: sciencemag.org. Vertont von Peter Rittinger.

Die Raumsonde Messenger umkreist seit dem 18. März diesen Jahres den innersten Planeten unseres Sonnensystems, den Merkur. Er gehört zu den bisher am wenigsten erforschten Planeten des Sonnensystems. Dies liegt vor allem an den für Raumsonden sehr unwirtlichen Bedingungen in der Nähe der Sonne, wie der hohen Temperatur und intensiver Strahlung, sowie an zahlreichen technischen Schwierigkeiten, die bei einem Flug zum Merkur bewältigt werden müssen. Nach nunmehr 6 Monaten wissenschaftlichen Betriebs kommen immer mehr Details an die Oberfläche.

Unsymetrisches Magnetfeld
Merkur und Erde sind die einzigen Gesteinsplaneten mit einem Magnetfeld inneren Ursprungs. Im Vergleich zum Erdmagnetfeld ist das des Merkur aber sehr schwach. Messenger fand bei der Vermessung des Magnetfeldes eine nördliche Verschiebung des magnetischen Dipols vom geografischen Äquator, was auf eine beträchtliche Nord-Süd-Asymmetrie schließen lässt. Und in der Tat, das Magnetfeld vom Nordpol ist um den Faktor 3,4 stärker als das am Südpol. Dazu kommt, dass die Fläche der offenen Feldlinien in der südlichen Hemisphäre etwa 4-mal so groß ist wie die vom Nordpol. Das vergleichsweise schwache Feld im Süden lässt die Pulverisierung der Oberfläche durch Ionenbeschuss (sputtering) zu, wo sich Plasma vorzugsweise auf der Oberfläche absetzt.

Die große Axensymmetrie und äquatoriale Asymmetrie von Merkurs Magnetfeld unterscheidet es von dem Feld der Erde oder anderen Planeten. Eine axial gegenläufig leitende Schicht zwischen einem noch tiefer gelegenen, intern gedrehten Feld und dem äußeren mag eine Erklärung für das axial ausgerichtete Feld vom Saturn sein. Ob es einen ähnlichen Mechanismus auch bei Merkur gibt, ist bisher noch unbekannt.

Erosion auf dem Merkur findet bis heute statt

Hochauflösende Bilder von Merkurs Oberfläche zeigten helle Stellen innerhalb von Kratern, welche man sich als randlose, seichte Geländesenken vorstellen kann. Diese Senken haben Durchmesser zwischen wenigen Metern bis zu mehreren Kilometern. Viele der Krater zeichnen sich durch eine stark reflektierende Oberfläche aus. Die wahrscheinlichste Erklärung für die Existenz dieser Senken ist ein kürzlichen Verlust von flüchtigen Anteilen durch eine Art von Sublimation, Weltraumwetter, Ausgasungen oder pyroklastischer Vulkanaktivität. Das hell reflektierende Material wurde „bright crater-floor deposits“ (BCFD’s) genannt. Seine Entdeckung unterstützt die These, dass Merkurs Inneres aus deutlich mehr flüchtigem Material besteht als bisher angenommen.

Messenger fotografiert den gesamten Merkur mit einer Auflösung von 250 Metern pro Pixel. Details lassen sich mit der MDIS-Kamera erkennen, die bis zu 10 Meter Auflösung pro Pixel bei monochromen Aufnahmen zulässt. Am höchsten ist die Auflösung bei Regionen nördlich von 20° Breite, wo die Raumsonde aufgrund Ihres Orbits der Oberfläche am nächsten ist.

Beispielhaft für die Entwicklung der hellen Stellen sei Bild E. Es zeigt einen sehr nördlich gelegenen Krater mit weißen Ablagerungen am nördlichen Hang. An diesem südwärts gerichteten Hang ist die Aufheizung der Oberfläche maximal, was auf einen Zusammenhang zwischen dem Auftreten der Substanz und der Oberflächentemperatur schließen lässt. Die steilen Gefälle am Kraterand sollten zu Oberflächenbewegungen führen, so dass das helle Material und die hellen Senken auf dem Merkur sehr wahrscheinlich neueren Ursprungs sind.

Die Errosionsrate auf der Oberfläche schätzt man auf etwa einen Zentimeter in 70.000 Jahren. Auch wenn noch vieles ungewiss ist, kann man den Prozesses, der die Oberfläche auf dem Merkur schneller verändert als die Mikrometeroiten-Erosion auf unserem Mond aber langsamer als die Trockeneissublimation auf dem Mars, als Erklärung für die deutlich jüngere Oberflächen innerhalb sehr alter Krater nehmen.

Indizien für zurückliegende vulkanische Aktivität

Messenger fand auch direkte Indizien für zurückliegende vulkanische Aktivität. Ganze 6% der Oberfläche sind von großen, glatten Flächen bedeckt, die wenige oder keine Einschlagkrater aufweisen. Deshalb liegt nahe, dass es nach dem großen Bombardement noch aktiven Vulkanismus auf der Oberfläche von Merkur gab.

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Der Beitrag Message von Messenger: Merkur lebt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Klaus Donath. Quelle: Johns Hopkins Universität, NASA. Vertont von Peter Rittinger.

Seitdem Messenger am 18. März diesen Jahres am Merkur angekommen ist, sendete die Sonde bereits zahlreiche wissenschaftliche Daten über die Geometrie, Geophysik, geologische Historie, Atmosphäre und das Magnetfeld zur Erde, darunter auch zehntausende Bilder, bedeutend schärfer als die bis dato vorliegenden.

Dabei passierte die Sonde erst diese Woche wichtige Meilensteine. Dazu gehörten die erste Umrundung der Sonne zusammen mit dem Merkur, die erste solare Konjunktion und das erste Orbitmanöver zum Absenken der Umlaufbahn. Damit wird beispielsweise die Onboard-Kamera MIDS, welche Stereoaufnahmen speichern kann, bald noch detailliertere Fotos machen können. Bisher sind Aufnahmen mit durchschnittlich 250 Metern pro Pixel gelungen. Dabei lag der Fokus auf der, bei den früheren Vorbeiflügen von Mariner 10 und auch vom Messenger noch kaum erfassten Nordhalbkugel.

Zur Zeit verarbeitet das deutsche DLR-Institut für Planetenforschung diese Daten zusammen mit denen eines Laser-Höhenmessers, um ein präzises 3D-Modell vom Merkur zu erstellen. Die Aufnahmen zeigen sehr ausgedehnte, ebene Flächen am Nordpol. Zudem wird die These bestätigt, dass Vulkanismus bei der Formung der Oberfläche eine wichtige Rolle gespielt haben muss. Teilweise sei die Schicht der vulkanischen Ablagerungen mehrere Kilometer dick. Für den genauen Nachweis wird das Spektrometer MASCS noch eine größere Rolle spielen, um die genaue Zusammensetzung der Oberfläche zu bestimmen. Mitarbeiter des DLR arbeiten zudem schon an Vergleichswerten, indem Sie Basalte, Feldspate und schwefelhaltige Mineralien mit einem Spektrometer analysieren, um deren Spektrum zu erhalten. Das wird mit den dann gewonnenen Daten der Merkurmission verglichen, um Mineralien genau zuordnen zu können.

Erste Analysen des Höhenmodells ergeben einige tiefe Krater am Nordpol, in deren Tiefen niemals Sonnenlicht eintreffen kann. Möglicherweise konnten sich darin sonst flüchtige Stoffe wie Wassereis bis heute halten. Im Laufe der Mission wird dies noch genauer überprüft werden. Die bisher gemessenen maximalen Höhenunterschiede belaufen sich auf etwa 8 km, deutlich weniger als auf der Erde mit bis 20 km Höhendifferenz zwischen dem tiefsten- und höchsten Punkt.

Der Nachweis von großen Mengen an Schwefel lässt darauf schließen, dass das Ursprungsmaterial, aus dem sich der Merkur zusammensetzt, weniger stark oxidiert war als das der Planeten Erde und Mars und wäre eine mögliche Erklärung für den weit verbreiteten Vulkanismus.

Die auf manchen Fotos weiß erscheinenden Kraterrände lassen auf relativ junges Material schließen mit einem erhöhten Anteil flüchtiger Stoffe. Ähnliche Strukturen an Rändern von Kratern sind beispielsweise auf dem Erdmond nicht gefunden worden.

Es bleibt also weiter spannend. Im Laufe der nächsten Monate erhofft man sich noch weit mehr Erkenntnisse, denn die Auswertung der zahlreichen Daten hat grade erst begonnen.

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Der Beitrag Messenger offenbart erste Ergebnisse über Merkur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter und Klaus Donath. Quelle: NASA.

Nachdem die erste Raumsonde überhaupt in den Merkurorbit einschwenkte, raumfahrer.net berichtete, veröffentlichte die NASA heute das erste Foto. Bei dem Strahlen-Krater in der oberen Bildhälfte handelt es sich um den Debussy-Krater. Links davon ist ein kleiner Krater erkennbar, von dem mehrere Strahlen aus einem dunkleren Material ausgehen. Hierbei handelt es sich um den Matabei-Krater. Die abgebildete Region befindet sich in der Nähe des Südpols des Merkur und zeigt im unteren Bereich ein Gebiet, welches bisher noch nie von einer Raumsonde fotografiert wurde.

In den folgenden sechs Stunden wurden von der Kamera weitere 363 Fotos angefertigt, welche auch teilweise bereits an das Kontrollzentrum übermittelt wurden. Die beteiligten Wissenschaftler sind gegenwärtig mit der Sichtung der Bilder beschäftigt. Weitere Fotos werden der Öffentlichkeit dann morgen Abend im Rahmen einer Pressekonferenz präsentiert. Der Audiostream der Telekonferenz kann hier verfolgt werden: Klick

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• MESSENGER: Einem Grenzgänger auf der Spur

Der Beitrag Erstes Messenger-Foto vom Merkur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Wehr und Klaus Donath. Quelle: NASA. Vertont von Peter Rittinger.

Die Raumsonde Messenger startete am 03. August 2004 auf einer Delta II 7925H zu ihrer Mission ins Innere des Sonnensystems. Ziel ist es, die Sonde in einem hoch-elliptischen Orbit um den sonnennächsten Planeten Merkur zu plazieren.

Das Projekt, eine Raumsonde zum Merkur zu bringen, stand bereits 1997 auf der sogenannten Discovery-Liste, konnte sich zunächst aber nicht durchsetzen. Erst im Juli 1999 wurde das Messenger Projekt finanziell freigegeben.

Technische Gründe mussten die Startfenster im März 2004 (19 Tage) und Mitte Mai 2004 (12 Tage) verstreichen lassen. Das dritte, 15-tägige, Startfenster 2004, welches sich am 30. Juli öffnete, konnte zuversichtlicher angegangen werden. Erzwang schlechtes Wetter am Cape Canaveral AFS Launch Complex 17 am 02. August 2004 noch eine eine Startverschiebung, hob am 3. August 2004 um 02:15:56 Uhr Ortszeit (EDT) die Sonde schließlich auf einer Trägerrakete vom Typ Delta II 7925H ab.

Die Startverschiebungen hatten ihren Preis. War ursprünglich das Eintreffen der Sonde am Merkur für 2009 geplant, musste aufgrund der Startverschiebung und des zur Verfügung stehenden Treibstoffes eine, neue zwei Jahre länger dauernde Flugbahn gerechnet werden.

Ein langer Weg ohne Tankstelle
Von der Erde zum Merkur zu gelangen, bedeutet eine große Geschwindigkeitsänderung. Diese nur mittels des Antriebs der Sonde durchzuführen, sprengt einfach die Treibstoffmenge, die jetzt noch fast 60% des Gesamtgewichts ausmacht. Also mussten andere Lösungen gefunden werden, um Gewicht und Treibstoff zu sparen.

Die Himmelskörper Venus und Merkur, aber auch die Erde wurden genutzt, um, durch sogenannte Flyby- oder Swingby-Manöver, die Sonde abzubremsen. So wurde ein Jahr nach dem Start die Erde benutzt, um ins Innere des Sonnensystems abgelenkt zu werden. Zwei Vorbeiflüge an der Venus (24.10.2006 und 05.06.2007) ließen die Messenger erstmals am 14.01.2008 am Merkur vorbeifliegen. Doch zu diesem Zeitpunkt war die Sonde noch zu schnell.

Erst zwei weitere Vorbeiflüge am Merkur (06.10.2008 und 29.09.2009) bremsten die Sonde so weit ab und brachten sie so nahe zum Merkur, dass es nur noch eines kontrollierten 15-minütigen Bremsmanövers (Geschwindigkeitsänderung 862,4 m/s) bedarf, um sie in einen 12 Stunden dauernden Orbit mit minimaler Annäherung von 200 km über 60 Grad Nord des Merkurs zu bringen. Das Sparen des Treibstoffes ging so weit, dass Anomalien im Flug durch Ausrichtungsänderung der Solarzellenpaneele ausgeglichen wurden.

Heute um 1:45 Uhr MEZ war es soweit – die fast 8 Milliarden Kilometer und 2.417 Tage lange Reise war an einem weiteren kritischen Missionspunkt angelangt. Nachdem das Erwärmen der Tanks und der Systeme erfolgreich war, zündeten die Triebwerke der Sonde, um sie soweit abzubremsen, damit sie in den Orbit „fiel“.

Nach dem Einschwenken und der erfolgreichen Übertragung mit der Hochgewinnantenne wurden die Star-Tracker (Sternenausrichtung) in Betrieb genommen, um die weitere Ausrichtung der Raumsonde zu gewährleisten.

Der erste Besucher schoss nur Standbilder
Mariner 10, die letzte der Mariner-Serie der NASA, war der erste Besucher des Merkurs. Nach dem Start am 03. November 1973 passierte sie erstmals am 29. März 1974 in einer Entfernung von rund 705 km den Merkur und schwenkte in eine 176-tägige Umlaufbahn um die Sonne ein. Merkur, der mit rund 4.880 km Äquatordurchmesser selbst die Sonne in 88 Tagen umrundet, und Mariner 10 trafen nach rund 176 Tagen wieder, am selben Punkt der Merkurumlaufbahn aufeinander. Merkur, der sich in 59 Tagen um die eigene Achse dreht, wendete aus diesem Grund Mariner 10 die bereits bekannte Seite zu. Somit konnte Mariner 10 nur rund 45% der Merkur-Oberfläche erfassen.

Der heute geglückte Einschuss der Raumsonde Messenger, in die Umlaufbahn um Merkur wird somit dazu beitragen, weitere Ansichten vom direkten Begleiter der Sonne zu erlangen.

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• MESSENGER: Einem Grenzgänger auf der Spur

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA. Vertont von Peter Rittinger.

Die von der ESA und der JAXA geplante Merkur-Mission BepiColombowird aus zwei Orbitern bestehen, welche den innersten Planeten unseres Sonnensystems zunächst für die Dauer von einem Jahr umlaufen sollen. Der Mercury Planetary Orbiter (MPO) wird von der ESA gebaut. Das Hauptaufgabengebiet des mit 11 Instrumenten bestückten MPO liegt in der Kartierung der Merkuroberfläche und in der Entschlüsselung von deren Zusammensetzung. Dabei wird der MPO den Merkur in einem Orbit zwischen lediglich 400 und 1.500 Kilometern Höhe umrunden.

Eine zweite Sonde, der Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), wird von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA geliefert und betrieben. Der MMO wird den Planeten in einem stark elliptischen Orbit in 400 bis 12.000 Kilometern Höhe umlaufen. An Bord werden sich fünf wissenschaftliche Instrumente befinden, welche in erster Linie die Interaktion zwischen der Magnetosphäre des Merkur und des Sonnenwindes untersuchen sollen.

Vor allem die extremen Temperaturen, bei denen die beiden Sonden ihre Mission erfüllen müssen, stellen die Ingenieure vor erhebliche technische Herausforderungen. In der Umgebung des Merkurs ist die Sonnenstrahlung bis zu zehnmal höher als in Erdnähe. Dadurch bedingt steigen die Temperaturen auf der Oberfläche des Merkur tagsüber auf einen Wert von bis zu 470 Grad Celsius. Während der Nacht sinkt die Temperatur dagegen auf bis zu minus 212 Grad Celsius ab. Aufgrund der niedrigen Orbits werden MPO und MMO nicht nur mit der direkt von der Sonne ausgehenden Wärmestrahlung sondern auch mit der von der Planetenoberfläche reflektierten Wärme zu kämpfen haben.

Die an der Mission beteiligten Ingenieure wollen die Elektronik der beiden Raumsonden und deren wissenschaftlichen Instrumente deshalb mit verschiedenen Maßnahmen vor einer Überhitzung schützen. Dazu gehört auch eine extra für diese Mission neu entwickelte mehrschichtige Isolierfolie. Diese besteht aus einer Deckschicht aus Keramikfasern und mehreren Metallschichten. Durch diese Isolierdecke soll ein Großteil der empfangenen Wärme zurück in den Weltraum reflektiert werden. Zusätzlich soll ein spezieller Radiator die Wärme aus dem Inneren der Raumsonden in den Weltraum abführen. Außerdem kommen eigens für diese Mission entwickelte Solarzellen zum Einsatz, die auch bei den hohen Temperaturen noch genügend Strom für den Betrieb der Raumsonden liefern können.

Im Verlauf der letzten Monate wurden die wichtigsten Komponenten des von der JAXA zu der Mission beigesteuerten MMO in Noordwijk/Niederlande in einer speziellen Testanlage, dem von der ESA betriebenen Large Space Simulator (LSS), ausführlich getestet. Um die erwarteten extremen Weltraumbedingungen möglichst realistisch zu simulieren, wurde die Testanlage des ESTEC sogar extra modifiziert. Durch eine Anpassung der im LSS eingesetzten Spiegel wurde der zur Simulation der Hitzestrahlung ausgesandte Lichtstrahl von ursprünglich sechs Metern Durchmesser auf einen Kegel von nur noch 2,7 Metern Durchmesser reduziert.

Der achteckige MMO und das mit der Raumsonde verbundene Sonnenschutzschild wurden im Rahmen dieser Tests Temperaturen von 350 Grad Celsius ausgesetzt. Dies entspricht den thermalen Bedingungen, auf welche der MMO im Merkurorbit treffen wird. „Dieser Sonnenschutz-Test verlief erfolgreich“, so Jan van Casteren, der ESA-Projektmanager für die BepiColombo-Mission. „Wir konnten dabei die Funktionalität der Schutzverkleidung des MMO während der Flugphase nachweisen.“

Bei den Tests konnte auch die Wärmeabstrahlleistung der neu entwickelten Isolierfolie bestimmt werden. Die Resultate der erfolgten Messungen werden jetzt in die Tests für den MPO einfließen, welche ab dem kommenden Sommer am LSS durchgeführt werden sollen.

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Der Beitrag BepiColombo besteht ersten Hitzetest erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Daniel Schiller und Günther Glatzel. Quelle: Johns Hopkins University/Applied Physics Laboratory, Wikipedia. Vertont von Peter Rittinger.

Bei diesen Tests war die Sonde selbst mit einbezogen worden und hat unter anderem die Lagekontrolle in einem „Quasi-On-Orbit“-Modus geflogen. Dazu wurden die Ephemeridendaten in MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging) selbst so modifiziert, dass die Sonde „dachte“ sie wäre im Orbit um Merkur. Gleichzeitig war die Geometrie der Sonne-MESSENGER-Erde-Konstellation ähnlich der im März nächsten Jahres.

Auch die Kommunikation wurde modifiziert. Täglich gab es „direkte Kontakte“ zum DSN, um für 13 Stunden die Übertragung von Daten und Kommandos zu simulieren sowie fünf Stunden, in denen die Sonde „wegschaute“, um Beobachtungen zu simulieren und wissenschaftliche Untersuchungen mittels Funkwellen (Radio-Science) durchzuführen.

In der Orbitphase wird es etwa einmal pro Woche Korrekturmanöver geben, um Drehimpuls aus der Reaktionsrädern zu entladen. Auch dieses Verhalten wurde dreimal in den beiden Wochen „simuliert“.

MESSENGER startete am 8. April 2004, führte mehrere Swingby-Manöver an Erde und Venus durch und näherte sich dem Zielplaneten Merkur erstmals am 14. Januar 2008. Durch weitere Flybys wurde die Geschwindigkeit reduziert, so dass man im Frühjahr 2011 unter Einsatz eines Bremstriebwerkes in einen Orbit um den sonnennächsten Planeten Merkur einschwenken kann.

Die Raumsonde trägt sieben wissenschaftliche Instrumente zur Untersuchung des Planeten und dessen Umfelds. Diese sind eine kombinierte Weitwinkel- und Teleobjektivkamera für Licht und nahes Infrarot (Mercury Dual Imaging System), ein Gammastrahlungs- und Neutronenspektrometer (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer), ein Magnetometer, ein Laser-Höhenmesser (Mercury Laser Altimeter), ein Atmosphären- und Oberflächenspektrometer (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) zur Bestimmung der Zusammensetzung von Oberfläche und Atmosphäre, ein Partikel- und Plasmaspektrometer (Energetic Particle and Plasma Spectrometer), ein Röntgenspektrometer (X-Ray Spectrometer) sowie ein Radio-Science-Experiment.

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Der Beitrag Achtung Probe! erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: USGS, Planetary Society.

Bei dem United States Geological Survey (USGS, auf deutsch: Der Geologische Dienst der Vereinigten Staaten) handelt es sich um eine Wissenschaftsbehörde der US-Innenministeriums. Die primäre Aufgabe dieser Behörde besteht darin, die Territorien der Erde und speziell die Staatsgebiete der USA zu katalogisieren und deren natürliche Ressourcen und eventuelle Bedrohungen durch Naturkatastrophen zu analysieren. Neben dieser Hauptaufgabe ist das USGS jedoch mittlerweile seit dem Jahr 1962 außerdem für die Katalogisierung und Kartierung von Planeten, Monden und Asteroiden innerhalb unseres Sonnensystems zuständig. Im Rahmen dieses erweiterten Aufgabenfeldes hat die US-Behörde Anfang des Jahres 2010 entsprechend ihrem Motto „Science for a changing World“ (Wissenschaft für eine sich verändernde Welt) eine aktualisierte Karte des innersten Planeten unseres Sonnensystems, des Merkur, veröffentlicht.

Die letzte vom USGS veröffentlichte Merkur-Karte basierte auf den Bilddaten der NASA-Sonde Mariner 10, welche den Merkur in den Jahren 1974 und 1975 insgesamt drei Mal passierte und dabei etwa 45 Prozent von dessen Oberfläche fotografisch abbilden konnte. Bis in das gegenwärtige Jahrtausend war dies die erste und einzige Raummission, welche den innersten Planeten unseres Sonnensystems zum Ziel hatte. Erst am 3. August 2004 wurde mit der ebenfalls von der NASA betriebenen Sonde Messenger eine zweite Mission zum Merkur gestartet. Messenger soll am 18. März 2011 in einen Orbit um den Planeten einschwenken und diesen dann für mindestens ein Jahr umkreisen und untersuchen.

Um das Einschwenkmanöver in den Merkur-Orbit möglichst effizient zu gestalten, wird die Sonde vor diesem Ereignis einen Weg von etwa acht Milliarden Kilometern durch das innere Sonnensystem zurücklegen. Im Verlauf dieses Fluges wurde einmal ein sogenanntes FlyBy-Manöver an der Erde absolviert, zweimal ein FlyBy an der Venus und abschließend insgesamt drei FlyBys am eigentlichen Ziel, dem Merkur. Durch die unsymmetrischen Annäherungen an die jeweiligen Planeten verlor die Sonde jeweils einen Teil ihrer überschüssigen Bewegungsenergie. Erst durch diesen Geschwindigkeitsverlust wird das erfolgreiche Einbremsen in den Merkur-Orbit möglich werden.

Die verschiedenen FlyBy-Manöver wurden dazu genutzt, um mit den Instrumenten der Sonde Daten über ihre jeweiligen „Besuchsziele“ zu sammeln. Speziell die Vorbeiflüge am Merkur waren dabei von besonderem wissenschaftlichen Interesse. Im Rahmen der Rendezvous, welche am 14. Januar 2008, am 6. Oktober 2008 und am 29. September 2009 erfolgten, konnte Messenger einen großen Teil der Oberfläche des Planeten abbilden. In Kombination mit den älteren Aufnahmen der Mariner-Sonde liegen jetzt Bilder vor, welche insgesamt rund 97,72 Prozent der Planetenoberfläche wiedergeben. Lediglich die Polarregionen des Merkur stellen zumindestens bisher für die Menschheit noch unbekanntes Land dar.
In den letzten Monaten haben die Mitarbeiter des USGS aus diesen teilweise sehr hoch aufgelösten Einzelaufnahmen ein Mosaik erstellt, welches die zur Zeit beste geodätische Karte des Merkur darstellt. Der überwiegende Teil des dabei verwendeten Bildmaterials wurde den Aufnahmen der Messenger-Sonde entnommen. Die verwendeten Einzelaufnahmen variieren sehr stark in ihren einzelnen Auflösungen und wurden zudem unter unterschiedlichen Lichtverhältnissen angefertigt. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, fand eine aufbereitende Bildbearbeitung statt, mit welcher die unterschiedlichen Lichtverhältnisse rechnerisch ausgeglichen wurden. Auf diese Weise gelang es dem USGS, eine Karte zu erstellen, welche die Oberfläche des Merkur in einer Auflösung von durchschnittlich 500 Metern pro Pixel wiedergibt. In den einzelnen Bereichen schwankt diese Auflösung zwischen 99 und 3.570 Metern pro Pixel.

Damit ist jedoch noch nicht das letzte Wort gesprochen. Das nebenstehende Bild wurde aus Einzelaufnahmen der ersten beiden Messenger-Vorbeiflüge am Merkur zusammengesetzt. Der rechte Teil entstammt dabei dem Datenmaterial, welches nach der größten Annäherung während der ersten Passage gesammelt wurde. Das linke Drittel dagegen setzt sich aus Bildern zusammen, welche im Anflug auf die zweite Annäherung angefertigt wurden. Ein schmaler Streifen bei etwa 266 Grad westlicher Länge befand sich dabei während beider Passagen im Dämmerlicht. Dies hat zur Folge, dass das Innere der dort befindlichen Krater im Dunkeln liegt, während die Wälle der Krater einen langen Schatten werfen. Weiter außerhalb dieser Zone sind die Beleuchtungsverhältnisse dann wieder besser. Dadurch kann die dortige Struktur der Oberfläche wieder klarer wahrgenommen werden.
Neben den Untersuchungen mit den restlichen Instrumenten wird eine der Hauptaufgaben der Messenger-Sonde darin bestehen, im Verlauf der ab 2011 beginnenden Primärmission die gesamte Oberfläche des Merkur in maximaler Auflösung und unter optimalen Lichtverhältnissen abzubilden. Nach dem Abschluss dieser Aufnahmen wird das USGS einen neuen, verbesserten Atlas des innersten Planeten unseres Sonnensystems veröffentlichen. Mit Hilfe dieser Daten wird es den Geologen und Planetologen möglich sein, die Entwicklungsgeschichte des Merkur noch besser zu rekonstruieren und somit auch die Modelle für die Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems weiter zu verfeinern. Ein direkter Nutznießer dieser Karten wird dagegen die ESA-Sonde BepiColombo sein, deren Startfenster sich am 14. Juli 2014 öffnet und die nach dem jetzigen Planungsstand nach einem sechsjährigen Flug im Mai 2020 in eine Orbitbahn um den Merkur einschwenken soll. Ein exakter Kenntnisstand über die geologischen Besonderheiten des Merkur wird für deren wissenschaftliche Arbeit von unschätzbarem Vorteil sein.

Interessierte können sich die neuesten Karten des Merkur auf der Internet-Seite des USGS in einer Auflösung von bis zu 450 MB herunterladen.

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Der Beitrag Neue Merkurkarte des USGS erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Timo Lange. Quelle: NASA, ESA.

Bisher war es ein Rätsel: Wie kann dieser massearme, innerste und dadurch sehr heiße Planet dauerhaft eine Atmosphäre, wenn auch eine extrem dünne, halten? Merkurs Oberflächentemperatur beträgt auf der Tagseite über 400° C. Durch die starke Sonnenlichteinstrahlung würden die Bestandteile der Merkuratmosphäre in relativ kurzer Zeit durch Photoevaporation, d. h. durch Ionisierung und Beschleunigung der Teilchen auf Fluchtgeschwindigkeit, ins All entweichen. Da Merkur seine kleine Atmosphäre aber offenbar über lange Zeiträume aufrechterhalten kann, muss es einen konstanten Nachschub an Teilchen geben. Doch wo kommt dieser her?
Zu Verdeutlichung sei gesagt, dass es im Fall von Merkur etwas übertrieben ist, von einer Atmosphäre zu sprechen. Der atmosphärische Druck an der Oberfläche beträgt nur ein Billiardstel des Drucks an der Erdoberfläche. Unter irdischen Bedingungen würde man von einem Vakuum sprechen. Der Mond hat eine vergleichbare „Atmosphäre“. Im Falle des Mondes wird diese durch die ständigen Kollisionen mit Teilchen des Sonnenwinds aufrechterhalten, die Atome aus der Mondoberfläche ablösen. Vom Merkur weiß man aber seit den Vorbeiflügen der unbemannten Sonde Mariner 10 in den Jahren 1974 und 1975, dass dieser im Gegensatz zum Mond ein Magnetfeld hat, was den größten Teil des Sonnenwindes um den Planeten leitet und Kollisionen nur in den Polregionen zuließe. Ganz so wie auf dem Mond kann der Nachfüllmechanismus demnach nicht aussehen.

Magnetische Tornados als Lösung?
MESSENGER konnte die Existenz dieses Magnetfeldes bei seinem Vorbeiflug im Januar 2008 bestätigen. Dank seiner hochentwickelten Instrumente, namentlich des Magnetometers MAG und des Energetic Particle and Plasma Spectrometer (EPPS), gelang es MESSENGER allerdings darüber hinaus zu bestätigen, dass Merkurs globales Magnetfeld lückenhaft ist. Diese Lücken können bis zu einem Drittel des Merkurdurchmessers groß werden. Durch sie können die Partikel des Sonnenwinds nun schlüpfen und die Oberfläche des Merkurs erreichen und so die Atmosphäre auffrischen. Doch wie kommt es zu diesen Lücken?

Die Lücken entstehen an genau den Orten, an denen die Magnetfeldlinien stark verzwirbelt sind und strudelhaft das planetare Magnetfeld mit dem interplanetaren Raum verbinden. Aufgrund dieser verdrehten Feldlinien spricht man bildlich von magnetischen Tornados, wobei es sich eigentlich um so genannte Flux Transfer Events (FTE) handelt. Diese Transferevents entstehen, wenn die geladenen Teilchen des Sonnenwindes ein eigenes Magnetfeld transportieren und sich die Feldlinien dieses interplanetaren Magnetfeldes mit denen des planetaren verbinden.

Im Falle des Erdmagnetfeldes haben u. a. die vier Cluster-Sonden der ESA dazu beigetragen, dass diese Phänomene in der magnetischen Umgebung der Erde besser verstanden werden konnten. Ohne diese Vorarbeit wäre die Interpretation der Daten von MESSENGER sicher schwieriger geworden. Die Cluster-Sonden konnten zeigen, dass magnetische Tornados im Magnetfeld der Erde wesentlich häufiger vorkommen als gedacht. Die Daten vom Merkur deuten nun allerdings darauf hin, dass die Frequenz, mit der Lücken im Feld auftreten, zehnmal höher ist als bei der Erde. Die relative Nähe zur Sonne kann nur für ca. ein Drittel der Häufigkeit der Tornados verantwortlich gemacht werden. Wie kommt also der Rest zustande? Warum treten die Phänomene (magnetische Rekonnexion und FTE) beim Merkur so häufig auf?
Neue Hinweise zu diesen Fragen wird eventuell das nächste Swing-by-Manöver liefern, das am 30. September diesen Jahres stattfinden wird. Anderthalb Jahre später wird MESSENGER endgültig in einen Orbit um Merkur eintreten. Das Magnetfeld des Merkurs wird auch eines der Hauptforschungsziele der europäisch-japanischen Sonde BepiColombo sein, deren Start momentan für 2013 geplant ist.

Die sehr dünne Atmosphäre des Merkurs setzt sich im Wesentlichen aus 42% Sauerstoff, 29% Natrium, 22% Wasserstoff sowie 6% Helium zusammen, wobei Wasserstoff und Helium direkt dem Sonnenwind zuzuschreiben sind. Die anderen Bestandteile stammen von der Oberfläche und wurden durch Sonnenwindteilchen gelöst.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Der Merkur-Flyby, bei dem die Sonde außerdem durch die Gravitation des Planeten abgebremst wurde, fand am 6. Oktober statt. Die größte Annäherung an Merkur erreichte Messenger gegen 10.45 Uhr MESZ. Aufgrund der hohen Präzision früherer Korrekturmanöver und der Nutzung des Strahlungsdrucks der Sonne mit Hilfe der Solarzellenflächen, konnte eine geplante Triebwerkszündung eingespart werden.
Bilder der letzten Tage aus größerer Entfernung lieferten bereits Hinweise auf Höhenzüge und schroffe Abhänge in der Nähe der derzeitigen Tag-Nacht-Grenze sowie Zonen mit auffällig hellem und dunklem Material in der Nähe eines Kraters. Diese interessanten Stellen können mit Hilfe der Telekamera der Sonde (NAC = Narrow Angle Camera) aber erheblich besser aufgelöst werden.

Zur Messung war die Instrumentenplattform der Sonde auf den Planeten ausgerichtet. Die Hochgeschwindigkeitsantenne zeigte dabei nicht auf die Erde. Die aufgezeichneten Daten sollen im Verlaufe des Dienstags zur Erde übermittelt werden. Man rechnet mit weit über 1.000 Detailbildern, die zu größeren Mosaiken zusammengesetzt werden. Natürlich sind auch diesmal Regionen dabei, die noch nie von einer Merkursonde erfasst wurden.

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