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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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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• Planet Merkur
• Messenger

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Ein Beitrag von Eric Honstrass. Quelle: NASA.

Zwar wird MESSENGER (ein Acronym für MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging) erst im März 2011 in einen Orbit um Merkur einschwenken, doch sind auf dem Weg insgesamt drei Vorbeiflüge am Zielplaneten geplant. Der zweite wird am 06. Oktober dieses Jahres stattfinden und der letzte am 29. September 2009.

Bei dem nun erfolgten Vorbeiflug wurden unter anderem Gebiete fotografiert, die bereits von Mariner 10 bekannt waren. Der Vergleich der alten Mariner-Bilder mit den neuen Bildern erleichtert den Wissenschaftlern die Interpretation der Daten aus denjenigen Gegenden, die erstmals fotografiert worden sind.

Die hier gezeigten Bilder von der Annäherung an Merkur entstanden in Entfernungen zwischen 780.000 und 2,5 Millionen Kilometern. Auf dem letzen Bild sind bereits helle Gebiete sowie Einschlagkrater zu erkennen. Weitere Daten und Bilder sollen in den nächsten Tagen zur Verfügung stehen. Bilder, die aus weit geringerer Entfernung gemacht wurden, kam die Sonde der Oberfläche doch bis auf 200 km nahe.

Erstmalig seit knapp 33 Jahren bekam der kleinste bekannte Planet wieder Besuch. Der letzte robotische Erkunder war Mariner 10 im März 1975, der an Merkur vorbeiflog und ihn untersuchte.

MESSENGER ist die erste Raumsonde, die den sonnennächsten Planeten umkreisen soll.

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