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 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 Martin Knipfer. Quelle: JHU/APL, ESA, DLR.

Vor fast elf Jahren, am 3. August 2004, startete am Weltraumbahnhof in Cape Canaveral eine Delta II-Rakete. Bei ihrer Nutzlast handelte es sich um eine Raumsonde der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur NASA mit einer Masse von etwa einer Tonne: MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging). Ihr Ziel war Merkur, der sonnennächste Planet unseres Sonnensystems. Bei ihm handelt es sich um einen Gesteinsplaneten, der den extremen Bedingungen in der Nähe der Sonne ausgesetzt ist, nämlich hohen Temperaturen und starker Strahlung. Um sich hiervor zu schützen, verfügte MESSENGER über einen Sonnenschild mit dem Abmessungen 2 x 2,5 Metern, lediglich die Solarzellen und der Ausleger des Magnetometers ragten heraus. Die Sonde selbst verfügte neben den für Raumsonden üblichen Komponenten wie Kommunikationssystemen, einem Antrieb oder der Steuerelektronik über insgesamt sieben verschiedene wissenschaftliche Instrumente, um den Planeten näher zu erforschen:

– Mercury Dual Imaging System (MDIS): Hierbei handelte es sich um eine Weitwinkel- und Schmalwinkelkamera, mit der Nahaufnahmen einzelner, interessanter Gebiete und Stereobilder für eine topografische Erfassung der Oberfläche im sichtbarem Licht gemacht werden sollten. – Gamma-Ray and Neutron Spectrometer (GRNS): Mit diesem Instrument sollte die chemische Zusammensetzung des Merkur bestimmt werden. Dazu verfügte es über zwei Spektrometer, das eine erfasste Gammastrahlung, das andere Niedrigenergie-Neutronen.

– Magnetometer (MAG): Dieses Instrument war auf einem Ausleger angebracht, damit keine Störungen durch das Magnetfeld der Sonde auftreten. Mit ihm sollte die Magnetosphere des Merkur vermessen werden. – Mercury Laser Altimeter (MLA): Das MLA sollte Laserpulse aussenden, aus deren Laufzeit sich dann Rückschlüsse auf die Topografie der Oberfläche ergeben sollten. – Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer (MASCS): Mit diesem Spektrometer sollte die Zusammensetzung der Merkur-Atmosphäre analysiert werden. – Energetic Particle and Plasma Spectrometer (EPPS): Mit diesem Instrument sollte die Verteilung und Beschaffenheit von geladenen Teilchen in der Atmosphäre erforscht werden. – X-Ray Spectrometer (XRS): Elemente auf der Oberfläche des Merkur können durch die Strahlung der Sonne angeregt und dabei Röntgenstrahlung aussenden. Diese Röntgenstrahlung kann von XRS aufgespürt werden, wodurch erneut die chemische Zusammensetzung des Planeten genauer untersucht werden sollte. Daneben konnte noch die Kommunikationsantenne an Bord dazu verwendet werden, um mithilfe des Dopplereffekts auf minimale Geschwindigkeitsveränderungen der Sonde und so auf die Verteilung der Masse des Planeten zu schließen.

Nach dem Start wurde 2005 ein Swingby an der Erde durchgeführt, um Schwung für die Reise zum Merkur zu holen. Es folgten zwei Flybys an der Venus 2006 und 2007, während denen auch das erste Mal während des Fluges die Instrumente von MESSENGER aktiviert wurden. Dann, am 14. Januar 2008, erreichte die Raumsonde zum ersten Mal den Merkur. Dieses Mal flog sie noch an ihm mit einem Abstand von etwa 200 km vorbei, genauso wie im Oktober 2008 und im September 2009. Bei diesen Swing-Bys wurden nicht nur die Geschwindigkeit von MESSENGER abgebaut, sondern auch erste Messungen durchgeführt und die Oberfläche teilweise kartographiert. Lediglich bei dem letzten Swing-By konnten keine Daten gesammelt werden, weil die Sonde sich unerwartet in den abgesicherten Modus schaltete. Knapp zwei Jahre später, am 18. März 2011, war es dann soweit: MESSENGER zündete sein Haupttriebwerk. Durch diese Geschwindigkeitsänderung um 862,4 m/s gelang es der Raumsonde, in eine Umlaufbahn um den Merkur einzuschwenken. Im April begann dann die erste wissenschaftliche Untersuchungskampagne, die zunächst ein Jahr dauern sollte. Im März 2012 und 2013 wurde diese bis zum März 2015 verlängert.

Nach dieser äußerst erfolgreichen Mission stand diesen April das Ende bevor: Die Raumsonde sollte auf dem Merkur einschlagen. Mit den letzten Tropfen Treibstoff wurde die Umlaufbahn in insgesamt sieben Manövern ein letztes Mal angehoben. Nachdem das Hydrazin aufgebraucht war, begann man bei den letzten vier Manövern, stattdessen den Heliumvorrat zu verwenden. Die letzte dieser Bahnanhebungen wurde am 28. April durchgeführt. Da diese letzten Orbits nur noch in geringer Höhe (5 bis 35 Kilometer) über der Oberfläche stattfanden, gelang es den Wissenschaftlern, noch ein paar letzte Nahaufnahmen von Merkur zu machen. Allen Bemühungen zum Trotz war es dann in den Abendstunden des 30. Aprils soweit: Durch die Schwerkraft der Sonne wurde MESSENGERs Umlaufbahn so stark gestört, dass die Raumsonde planmäßig mit einer Geschwindigkeit von 3, 91 km/s auf die Oberfläche des Planeten stürzte, den sie so lange umrundet hatte. Dieser Einschlag fand auf der sonnenabgewandten Seite des Merkur statt, vermutlich entstand bei dem Aufprall ein neuer Krater mit einem Durchmesser von etwa 16 Metern.

Wegen der harschen Bedingungen in seiner Nähe stattete neben MESSENGER bisher nur eine andere Raumsonde Merkur einen Besuch ab: Mariner 10 1974. Anders als MESSENGER schwenkte diese nicht in eine Umlaufbahn um den Planeten ein, sondern flog nur dreimal an ihm vorbei. Dabei konnten lediglich 45 % seiner gesamten Oberfläche fotografiert werden. Auch eine Erforschung durch erdgebundene Teleskope gestaltet sich als schwierig. MESSENGER gelang es dagegen während seiner Mission, die gesamte Oberfläche des Merkur zu kartographieren. Fast 256.000 Bilder wurden zur Erde gesendet, zehn Terrabyte Daten gesammelt. Auch wurden Ende 2013 die beiden Kometen ISON und Encke vom Merkurorbit heraus beobachtet. Darüber hinaus gelang es MESSENGER, zahlreiche neue Erkenntnisse über den Merkur zu gewinnen:

Vulkanismus: Bisher ist man davon ausgegangen, dass Merkur wegen seiner geringen Größe geologisch weitgehend inaktiv war. Durch MESSENGER kam man nun zu einem anderen Schluss: XRS fand große Mengen Schwefel auf der Oberfläche, größtenteils auf der Nordhalbkugel. Auch konnten auf Bildern Gebiete erkannt werden, die offensichtlich durch vulkanische Aktivität geprägt wurden. Dort fanden sich große, glatte Flächen und sogar Vulkankrater. Der Grund dafür könnte darin liegen, dass Merkur über einen außergewöhnlich großen und dichten Kern aus Nickel und Eisen verfügt. Darüber existiert eine dünne Gesteinskruste. Da sich der Kern im Inneren des Planeten abkühlt und sich so zusammenzieht, „schrumpft“ Merkur jährlich um einige Kilometer.

Eis in Kratern: An dem Nordpol finden sich zahlreiche Krater, in die nie ein Sonnenstrahl trifft. Bereits bei ihrer Entdeckung wurde vermutet, dass sie aufgrund der Kälte in ihrem Inneren Wassereis enthalten könnten. Inzwischen gilt diese Theorie als bestätigt: Das Arecibo-Radioteleskop und das MLA-Instrument hat in den Kratern reflexierende Flächen ausfindig gemacht, mit dem GNRS konnte überschüssiger Wasserstoff in den Kratern gemessen werden und die Temperaturen sind niedrig genug. Über den Eisschichten existiert eine 10 bis 20 cm dicke Schicht aus dunklen, organischen Materialien, die das Eis isolieren. Sie ist wahrscheinlich durch Einschläge von Kometen und Asteroiden entstanden. Auch glaubt man mittlerweile, optische Aufnahmen des Wassereises gemacht zu haben. Insgesamt existieren wohl einer bis 100 Milliarden Kubikmeter Wassereis auf dem Merkur.

Magnetfeld: Bereits in den 70ern wies Mariner 10 ein Magnetfeld auf dem Merkur nach, das etwa ein Prozent der Stärke des Erdmagnetfelds besaß. Ungewöhnlich ist es, dass dieses Magnetfeld asymmetrisch ist: Es ist auf der Südhalbkugel wesentlich stärker als auf der Nordhalbkugel. Da ein Magnetfeld für gewöhnlich durch Zirkulationen geschmolzener Materialien in einem Metallkern entstehen, müsste Merkurs Magnetfeld wesentlich stärker sein. Der Ursprung von Merkurs Magnetfeld ist also weiterhin unklar, genauso wie für seine Asymmetrie.

MESSENGER wird nicht die letzte Mission zum Merkur darstellen: Es wird bereits an einer weiteren Raumsonde zu dem sonnennächsten Planeten gearbeitet, BepiColombo. Diese wird nicht mehr nur aus einer Raumsonde, sondern gleich aus zwei Orbitern und einer Transferstufe bestehen. Beide Orbiter werden auf der Transferstufe, die über einen chemischen und einen solar-elektrischen Antrieb verfügt, angebracht sein: Oben unter einem Sonnenschild der MMO-Magnetosphärenorbiter (Mercury Magnetospheric Orbiter, drallstabilisiert, Kaltgastriebwerke), darunter der MPO-Fernerkundungsorbiter (Mercury Planetary Orbiter, dreiachsenstabilisiert, Hydrazinantrieb). Die Transferstufe und der MPO werden von der europäischen Raumfahrtagentur ESA gebaut, der MMO von der japanischen JAXA. Nach mehreren Vorbeiflügen an der Erde, der Venus und dem Merkur wird die Transferstufe abgeworfen und beide Orbiter schwenken mithilfe ihres eigenen Antriebs in eine Merkurumlaufbahn ein. 2017 soll die Raumsonde auf einer Ariane 5-Rakete starten, 2024 sollen die Orbiter in den Orbit einschwenken. Wer weiß, vielleicht finden sie sogar den Einschlagskrater von MESSENGER?

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• Messenger
• Planet Merkur

Der Beitrag Tschüss, MESSENGER! erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Stephan Keller. Quelle: Johns Hopkins University / NASA.

Die MESSENGER Sonde hat vor wenigen Tagen ein Bahnmanöver zur Anhebung des Periels durchgeführt. Dies war das erste von insgesamt vier Manövern zur Verlängerung der Lebensdauer der Sonde. Die nächsten Manöver finden im September, Oktober und schließlich im Januar 2015 statt.
Dabei werden für einige Minuten am entferntesten Punkt von Merkur die Einstofftriebwerke gezündet. Dies hat eine Anhebung des planetennähesten Punktes zur Folge, was wiederum heißt, dass die Sonde länger um den Planeten kreisen kann, bevor sie auf der Oberfläche zerschellen wird. Leider reicht der Treibstoff nur noch für diese drei Manöver aus. Danach wird MESSENGER voraussichtlich im März 2015 auf Merkur einschlagen. Trotz dieser und anderer Schubmanöver ist im Laufe der Mission dabei der merkurnächste Punkt von etwa 200 Kilometer auf bis zu 50 Kilometer angesunken.

Was ein baldiges Ende für die Raumsonde bedeutet, ist aber gleichzeitig Glück für die Wissenschaftler, denn ja näher die Sonde und somit die Instrumente an die Oberfläche des Planeten kommen, desto höher ist deren Auflösung und sind die Daten entsprechend aussagekräftiger.

Durch die extreme Nähe der Sonde zur Oberfläche profitieren insbesondere drei Sparten: Geologie, Geochemie und planetare Gravimetrie sowie Magnetologie. Die Geologie kann die Daten der Instrumente Mercury Dual Imaging System (MDIS), Mercury Laser Altimeter (MLA) und das Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer (MASCS) am besten verwerten und dabei Rückschlüsse auf den Ursprung des Vulkanismus auf Merkur ziehen, vulkanischen Schmelzflussverläufe beobachten und auch tektonische Eigenschaften bestimmen. Darüber hinaus werden Phänomene wie die hohe Anzahl der Einschlagkrater untersucht oder die planetare Schrumpfung, welche Merkur in seiner frühen Phase durchlebte. Durch die geringere Höhe der Sonde kann all dies besser untersucht werden und selbst unerwartete Ergebnisse wie Permafrost in Kratern, der Schichtaufbau der Kraterwände und die Höhlenbildung können intensiver erforscht werden als bisher.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JHU/APL.

Derzeit bewegen sich zwei Kometen, der langperiodische Komet C/2012 S1 (ISON) und der kurzperiodische Komet 2/P Encke, durch das innere Sonnensystem und befinden sich dabei gegenwärtig nicht nur in einer sehr geringen Entfernung zur Sonne, sondern auch zu dem innersten Planeten unseres Sonnensystems – dem Planeten Merkur. Neben verschiedenen erdgebundenen Teleskopen und mehreren Satelliten und Raumsonden wird dabei auch der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Merkurorbiter Messenger dazu eingesetzt, um diese beiden Kometen näher zu untersuchen (Raumfahrer.net berichtete). Erst vor wenigen Stunden wurden neue Aufnahmen dieser Beobachtungskampagnen veröffentlicht.

Das nebenstehende Foto wurde am 17. November 2013 um 23:56 MEZ aufgenommen und zeigt den Kometen 2/P Encke. Zum Zeitpunkt der Aufnahme befand sich dieser kurzperiodische Komet bei einer Distanz von 52,6 Millionen Kilometern zur Sonne in einer Entfernung von lediglich rund 3,7 Millionen Kilometern zum Merkur. Die Aufnahme verfügt über ein Gesichtsfeld von 7 x 4,7 Grad. Der Schweif des Kometen zeigte zum Aufnahmezeitpunkt in die Richtung der Raumsonde und erstreckte sich über eine Länge von mehreren Grad in die von der Sonne abgewandte Richtung.

Diese Aufnahme wurde mit der Weitwinkelkamera (kurz „WAC“), einer der beiden Komponenten des Mercury Dual Imaging System (kurz „MDIS“), angefertigt. An diesem Tag wurden alle 12 Filter des MDIS-Experiments eingesetzt, um den Kometen abzubilden. Neben der WAC-Kamera kam dabei auch die hochauflösende NAC-Kamera zum Einsatz, welche den Kometen Encke etwa alle 10 Minuten abbildete. Das Ziel dieser Aufnahmen bestand in der Erstellung eines 360-Grad-Panoramas des Kometenkerns und der diesen Kern umgebenden Koma.

Die zweite Aufnahme, angefertigt am 20. November 2013 um 02:54 MEZ, zeigt dagegen den Kometen C/2012 S1 (ISON). Dieser Komet befand sich zum Aufnahmezeitpunkt in einer Entfernung von 67,8 Millionen Kilometern zur Sonne und war mit 36,2 Millionen Kilometern deutlich weiter vom Merkur entfernt als rund zwei Tage zuvor der Komet Encke. Auch diese Aufnahme verfügt über ein Gesichtsfeld von 7 x 4,7 Grad.

Trotz der größeren Entfernung und der scheinbar geringeren Länge des Schweifes sind auch in dieser Aufnahme einige feine Strukturen erkennbar, deren Auswertung den Kometenforschern dabei behilflich sein wird, die Geheimnisse dieses aus den äußeren Regionen unseres Sonnensystems stammenden „Besuchers“ zu enträtseln. Auch bei der Untersuchung von ISON kam neben der WAC die NAC-Kamera zum Einsatz, welche diesmal allerdings lediglich etwa alle 30 Minuten eine Aufnahme anfertigte.

Neben dem MDIS-Kamerasystem wurden zur Untersuchung dieser beiden Kometen zwei weitere der insgesamt sieben wissenschaftlichen Instrumente der Raumsonde – das „Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer“ (kurz „MASCS“) und das „X-Ray Spectrometer“ („XRS“) – eingesetzt. Gegenwärtig sind die beteiligten Wissenschaftler damit beschäftigt, die gewonnenen Daten auszuwerten. Erste Analysen der durch das MASCS gewonnenen Daten zeigen, dass dabei der Nachweis verschiedener Moleküle und Atome wie zum Beispiel von Hydroxiden, Ammoniumverbindungen, Sauerstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff gelang. Durch die Daten des XRS erhoffen sich die beteiligten Forscher zudem den Nachweis von Silizium, Magnesium und Aluminium. Allerdings wurden die damit verbundenen Messungen durch verschiedene Strahlungsausbrüche auf der Sonne kompliziert.

„Das von der NASA betriebene Weltraum-Röntgenteleskop Chandra hat die Kometen ISON und Encke bereits in der Vergangenheit beobachtet und dabei von diesen Objekten ausgehende Röntgenemissionen detektiert. Wir waren in der Lage, diese Beobachtungen zu einem Zeitpunkt zu wiederholen, an dem sich beide Kometen noch näher an der Sonne befanden und zu dem die Emissionen dementsprechend intensiver ausfallen sollten“, so Ron Vervack vom Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University (JHU) in Laurel, Maryland/USA, der für die Beobachtungskampagnen dieser beiden Kometen durch die Raumsonde Messenger verantwortlich ist.

Leider ereigneten sich zum Zeitpunkt der XRS-Messungen auf der Sonne mehrere intensive Strahlungsausbrüche, welche eventuell zu einer Verfälschung der durch das XRS gewonnenen Daten führten. „Wir haben keinen Einfluss auf die Sonnenaktivität, aber wir werden unsere gewonnenen Daten sorgfältig darauf hin überprüfen, ob sich darin trotz der störenden Einflüsse auswertbare Informationen finden lassen.“

Die Beobachtung des Kometen C/2012 S1 (ISON) wird bereits am 26. November eingestellt, das sich ISON ab diesem Tag von Messenger aus gesehen zu dicht an Sonne befindet und weitere Messungen, welche dann mehr oder weniger direkt in die Richtung der Sonne zielen würden, ein zu hohes Risiko für die Instrumente bedeuten. Die Beobachtungskampagne des Kometen 2/P Encke soll dagegen noch bis Anfang Dezember fortgesetzt werden.

Die Raumsonde Messenger trat am 18. März 2011 nach einem fast sieben Jahre dauernden Flug durch das innere Sonnensystem in eine Umlaufbahn um den Merkur ein und untersuchte diesen innersten Planeten unseres Sonnensystems in den folgenden Monaten eingehend mit den an Bord der Raumsonde befindlichen Instrumenten. Aufgrund des guten technischen Zustandes der Raumsonde und der hohen wissenschaftlichen Ausbeute wurde die ursprünglich auf 12 Monate ausgelegte Orbit-Mission von Messenger schließlich um ein weiteres Jahr verlängert.

Nach dem Ende dieser am 17. März 2013 abgelaufenen ersten Missionsverlängerung hat sich die US-amerikanische Weltraumbehörde NASA mittlerweile für den Weiterbetrieb der Mission entschieden. Bisher hat Messenger mehr als 150.000 Aufnahmen der Merkuroberfläche angefertigt und an sein Kontrollzentrum übermittelt. Nach dem derzeitigen Planungsstand soll die Erkundung des Merkur bis zum März 2015 fortgesetzt werden.

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• C/2012 S1 (ISON)
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• Messenger-Mission

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JHU/APL, NASA Science.

Der am 21. September 2012 von den beiden Amateurastronomen Witali Njewski und Artjom Nowitschonok mit einem der zehn Teleskope des International Scientific Optical Network entdeckte Komet C/2012 S1 (ISON) nähert sich auf seiner Bahn durch das innere Sonnensystem derzeit immer weiter der Sonne. Dabei wird er nicht nur von der weltweiten Community der Amateurastronomen sondern auch von professionellen Wissenschaftlern regelmäßig beobachtet, welche hierzu diverse erdgestützte Teleskope und verschiedene Raumsonden einsetzen (Raumfahrer.net berichtete).

Vor wenigen Tagen gelang es dabei auch erstmals, diesen Kometen mit dem Mercury Dual Imaging System (kurz „MDIS“) abzubilden, welches sich an Bord des von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Merkurorbiters Messenger befindet. Die entsprechenden Aufnahmen wurden zwischen dem 9. und dem 11. November angefertigt.

„Wir sind begeistert, dass es uns gelungen ist ISON abzubilden“, so Ron Vervack vom Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University (JHU) in Laurel, Maryland/USA, der für die Beobachtungskampagne des Kometen durch die Raumsonde Messenger verantwortlich ist. „Die Helligkeitsentwicklung des Kometen verlief in der letzten Zeit unterhalb der zuvor erstellten Prognosen und so waren wir darauf gespannt, ob wir etwas erkennen würden.“ Die erfolgreiche Abbildung des Kometen ISON wird von den beteiligten Wissenschaftlern als ein gutes Vorzeichen für weitere Beobachtungskampagnen angesehen, welche neben C/2012 S1 (ISON) auch einen weiteren Kometen zum Ziel haben werden, der sich gerade in Sonnennähe bewegt.

Der Komet Encke
Unmittelbar vor der ISON-Kampagne konnte das MDIS zwischen dem 6. und dem 8. November den Kometen 2/P Encke abbilden. Im Gegensatz zu dem erst vor 14 Monaten entdeckten Kometen ISON ist der Komet Encke den Astronomen schon seit längerer Zeit bekannt. Obwohl er bereits am 17. Januar 1786 erstmals beobachtet wurde, stellte sich erst im Jahr 1819 heraus, dass es sich bei diesem Objekt um einen sogenannten kurzperiodischen Kometen handelt, dessen Umlaufbahn im Bereich des inneren Sonnensystems verläuft.

Mit einer Umlaufzeit um die Sonne von lediglich 3,3 Jahren verfügt der Enckesche Komet über die kürzeste Umlaufzeit aller bekannten periodischen Kometen innerhalb unseres Sonnensystems. Am 21. November 2013 wird dieser Komet auf seiner Bahn das Perihel, den Punkt der dichtesten Annäherung an die Sonne, durchlaufen. Hierbei handelt es sich um den mittlerweile 62. Periheldurchgang dieses Kometen, welcher seit seiner Einstufung als kurzperiodischer Komet zu beobachten ist.

Bessere Daten in der nächsten Woche
„Encke befindet sich bereits seit längerer Zeit auf unserem ‚Radar‘, da wir festgestellt haben, dass der Komet Mitte November die Bahn des Merkur kreuzen wird“, so Ron Vervack. „Der Komet wird die Bahn dabei aber nicht nur kreuzen, sondern sich dem Merkur auch sehr dicht annähern.“

Am 18. November wird die Entfernung zwischen Merkur – und somit auch Messenger – und 2/P Encke lediglich 3,7 Millionen Kilometer betragen. Lediglich einen Tag später wird auch der Komet C/2012 S1 (ISON) den Merkur in einer Entfernung von dann 36,2 Millionen Kilometern passieren. Zum gleichen Zeitpunkt wird dessen Entfernung zur Sonne nur noch 71 Millionen Kilometer betragen.

Auf den in der vergangenen Woche angefertigten MDIS-Aufnahmen erscheinen beide Kometen lediglich als kleine, „verwaschene“ Flecken. Bei zukünftigen Aufnahmen sollte sich dies jedoch deutlich erkennbar ändern. Die beteiligten Wissenschaftler gehen davon aus, dass der Komet Encke – vom Merkur aus gesehen – in der nächsten Woche um einen Faktor von etwa 200 heller erscheinen wird als noch vor zehn Tagen. Im Fall von ISON sollte die Helligkeitszunahme dagegen bei einem Faktor von immer noch 15 liegen. Aus diesem Grund bestehen hohe Erwartungen bezüglich besserer Fotoaufnahmen und aussagekräftigerer Daten, welche durch den Merkurorbiter Messenger gesammelt werden sollen.

„Wir werden den Kometen Encke nur einen Tag vor seiner größten Annäherung an die Sonne beobachten“, so Ron Vervack. „Somit werden wir ihn zu einem Zeitpunkt beobachten, wo er bereits eine hohe Aktivität entwickelt hat.“ Insgesamt soll 2/P Encke dabei über einen Zeitraum von 15 Stunden in das Zentrum der wissenschaftlichen Beobachtungen rücken. Die Beobachtungskampagne des Kometen C/2012 S1 (ISON) wird dagegen insgesamt 25 Stunden andauern. Der Beginn dieser erneuten Kometenbeobachtungen ist für den heutigen Tag angesetzt.

Hierzu sollen drei der insgesamt sieben wissenschaftlichen Instrumente der Raumsonde – neben dem MDIS handelt es sich dabei um das „Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer“ (kurz „MASCS“) und das „X-Ray Spectrometer“ („XRS“) – eingesetzt werden. Alle drei Instrumente sollen während der dichtesten Annäherung der beiden Kometen so viele Daten wie nur irgend möglich und zugleich vertretbar sammeln.

Messenger in Sonnennähe
Unter allen Planeten unseres Sonnensystems besitzt der Merkur die Umlaufbahn mit der größten numerischen Exzentizität – der Abweichung von einer idealen Kreisbahn. Während eines Umlaufs um die Sonne schwankt die Entfernung des Merkur zu dem Zentralgestirn unseres Sonnensystems zwischen 0,307 und 0,467 Astronomischen Einheiten. Dadurch bedingt empfängt der Merkur während eines Umlaufs um die Sonne deutlich variierende Mengen an der von der Sonne ausgehenden Strahlung, was sich auch in den Temperaturen bemerkbar macht, welche dabei auf dem Merkur und in dessen unmittelbaren Umgebung herrschen.

Derzeit befindet sich der Merkur in der Nähe des sonnennächsten Punktes seiner Umlaufbahn. Sowohl Merkur als auch Messenger sind deshalb in diesen Wochen erhöhten thermalen Belastungen ausgesetzt. Die Phasen der dichtesten Annäherungen der beiden Kometen ereignen sich somit zu einer Zeit, welche auch als „Hot Season“ bezeichnet wird. Um zu verhindern, dass die empfindliche Elektronik der Raumsonde dabei überhitzt wird müssen gegenwärtig Teile eines jeden Orbits von Messenger um den Merkur in einem ‚thermally safe mode‘ absolviert werden. Während dieses speziellen Modus ist die Sammlung von Daten durch die Instrumente der Raumsonde stark limitiert beziehungsweise zu bestimmten Zeitpunkten von vornherein nicht vorgesehen.

Außerdem dürfen die geplanten Beobachtungen das eigentliche wissenschaftliche Ziel der Messenger-Mission, nämlich die Beobachtung und Untersuchung des Planeten Merkur, nicht beeinträchtigen. „Wir dürfen den Datenspeicher der Raumsonde nicht mit zu vielen Kometen-Daten füllen, da dies die primären Aufgaben der Mission, nämlich die Beobachtung des Merkur, beeinträchtigen würde“, so Ron Vervack. Nach der Zwischenspeicherung der Daten im Computersystem der Raumsonde müssen diese Daten also schnellstmöglich zur Erde übermittelt werden, wobei allerdings auch die derzeitige Auslastung des für die Kommunikation mit der Raumsonde benötigten Deep Space Network der NASA berücksichtigt werden muss.

Das Messenger-Team ist jedoch zuversichtlich, dass die geplanten Beobachtungen wertvolle Erkenntnisse über diese beiden Kometen liefern werden. Erste Aufnahmen von Encke und ISON sollen der Öffentlichkeit bereits wenige Tage nach deren Merkur-Passagen präsentiert werden. „Ich kann nichts garantieren, aber ich bin auf diese Aufnahmen wirklich sehr gespannt“, so Ron Vervack.
Messenger-Mission bis 2015 verlängert
Die Raumsonde Messenger trat am 18. März 2011 nach einem fast sieben Jahre dauernden Flug durch das innere Sonnensystem in eine Umlaufbahn um den Merkur ein und untersuchte diesen innersten Planeten unseres Sonnensystems in den folgenden Monaten mit den sieben an Bord der Raumsonde befindlichen wissenschaftlichen Instrumenten eingehend. Aufgrund des guten technischen Zustandes der Raumsonde und der hohen wissenschaftlichen Ausbeute wurde die ursprünglich auf 12 Monate ausgelegte Messenger-Mission schließlich um ein weiteres Jahr verlängert. Nach dem Ende dieser am 17. März 2013 abgelaufenen ersten Missionsverlängerung hat sich die US-amerikanische Weltraumbehörde NASA mittlerweile für den Weiterbetrieb der Mission entschieden. Nach dem derzeitigen Planungsstand soll die Erkundung des Merkur demzufolge bis zum März 2015 fortgesetzt werden.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, CICLOPS, JHUAPL.

Am 19. Juli 2013 wurde das aus einer Telekamera (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC) bestehenden ISS-Kameraexperiment, eines der insgesamt 12 an Bord der Raumsonde Cassini befindlichen wissenschaftlichen Instrumente, dazu eingesetzt, um das Ringsystem des Saturn im Gegenlicht der Sonne abzubilden. Hierbei geriet auch unser Heimatplanet in das Aufnahmefeld der Kamera (Raumfahrer.net berichtete).

Insgesamt fertigten die beiden Kameras von Cassini 323 Aufnahmen an, welche derzeit von den Mitarbeitern der Mission bearbeitet und zu einem Gesamtporträt zusammengefügt werden. Aufgrund der Komplexität dieser Arbeit – das Mosaik teilt sich in 33 einzelne Aufnahmebereiche auf, welche jeweils mit verschiedenen Spektralfiltern abgebildet wurden – werden voraussichtlich noch mehrere Wochen vergehen, bis das gesamte Porträt des Saturn-Systems der Öffentlichkeit präsentiert werden kann. Der Teilausschnitt, auf dem die Erde erkennbar ist, wurde jedoch bereits am gestrigen Tag von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA veröffentlicht.

Erde und Mond vom Saturn
Zeitgleich mit der Weitwinkelkamera wurde auch die nochmals deutlich höher auflösende NAC-Kamera dazu eingesetzt, um speziell die Erde abzubilden. Hierbei gelang es den für den Betrieb der ISS-Kamera verantwortlichen Wissenschaftlern vom Cassini Imaging Central Laboratory for Operations (kurz „CICLOPS“) erstmals, auch den Erdmond aus dem Saturnorbit heraus erfolgreich wiederzugeben.

„Auf diesem Porträt der Erde können wir zwar keine einzelnen Kontinente oder gar Menschen erkennen. Dieser kleine blaue Punkt ist jedoch eine bündige Zusammenfassung und zeigt, wo wir alle uns am 19. Juli aufgehalten haben“, so Linda Spilker, die Projektmanagerin der Cassini-Mission am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/USA. „Die Cassini-Aufnahme erinnert uns daran, wie klein unser Heimatplanet in der Unendlichkeit des Alls ist und ist gleichzeitig ein Zeugnis für den Erfindungsreichtum ihrer Bewohner, welche in der Lage sind, eine Raumsonde in die Weiten des Weltalls zu schicken, den Saturn zu untersuchen und von dort aus ein Bild von der Erde anzufertigen.“
Die jetzt angefertigten Aufnahmen werden in ihrer finalen Fassung das dritte im Gegenlicht der Sonne erstellte Mosaik des Saturnsystems ergeben und dürften nicht nur für die interessierte Öffentlichkeit einen spektakulären Anblick bieten. Auf diesen Aufnahmen können die an der Cassini-Mission beteiligten Wissenschaftler besonders gut die Dichte, die Struktur und die Zusammensetzung der einzelnen Ringe analysieren, welche in der Regel aus lediglich millimetergroßen Partikeln aus Eis und Staub bestehen. Auf früher angefertigten Gegenlichtaufnahmen konnten zum Beispiel zuvor nicht bekannte Ringe entdeckt werden.
Erde und Mond vom Merkur
Aber nicht nur aus dem Saturnorbit heraus wurden am vergangenen Wochenende Aufnahmen von der Erde erstellt. Auch von der anderen Seite des Sonnensystems konnte das Erde-Mond-System erfolgreich abgebildet werden.

Bereits am 18. März 2011 trat die von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Raumsonde Messenger nach einem fast sieben Jahre dauernden Flug durch das innere Sonnensystem in eine Umlaufbahn um den Planeten Merkur ein und untersuchte diesen innersten Planeten unseres Sonnensystems in den folgenden Jahren mit den sieben an Bord der Raumsonde befindlichen wissenschaftlichen Instrumenten eingehend. Seit dem Februar 2013 wird das Kamerasystem des Orbiters, das Mercury Dual Imaging System (kurz „MDIS“) neben der Abbildung der Merkuroberfläche gelegentlich auch dazu eingesetzt, um in der Umgebung des sonnennächsten Planeten in unserem Sonnensystem nach bisher nicht entdeckten Merkur-Monden zu suchen.

Im Februar 2013 befand sich der Merkur auf seiner stark elliptischen Umlaufbahn um die Sonne im Bereich seiner größten Sonnenentfernung. Dadurch bedingt waren die Sensoren der Kamera relativ niedrigen Umgebungstemperaturen ausgesetzt, was wiederum dazu führte, dass sich das „Rauschen“ auf den Aufnahmen der MDIS-Kamera auf einen minimalen Wert beschränkte. Ein solches Rauschen vermindert die Qualität der angefertigten Aufnahmen und führt dazu, dass eventuell vorhandene Monde, welche über einen nur geringen Durchmesser verfügen dürften, auf den Aufnahmen nicht erkennbar wären. Die Kehrseite der Medaille besteht darin, dass eventuell vorhandene Merkur-Monde im Bereich des sonnenfernsten Punktes der Merkurbahn entsprechend weniger Licht von der Sonne reflektieren und somit auf Kameraaufnahmen dunkler erscheinen dürften.

Das von Clark Chapman vom SwRI geleitete Team für die Mondsuche musste deshalb entscheiden, ob man ein „Rauschen“ auf den Bildern in Kauf nimmt oder bei einem minimalen Rauschen in einer größeren Entfernung zur Sonne nach lichtschwächeren Objekten Ausschau hält. Letztere Option hat dabei den Zuschlag bekommen, führte bisher aber noch zu keinem positiven Beobachtungsergebnis. Die im Februar 2013 gesammelten Daten werden gegenwärtig immer noch von den Mitarbeitern der Messenger-Mission ausgewertet.
Inzwischen wurde die Suchmethode allerdings noch weiter verfeinert. Die MDIS-Kamera nimmt bei entsprechenden Beobachtungskampagnen innerhalb eines bestimmten Zeitraumes mehrere Bilder in unterschiedlichen Zeitintervallen auf, wobei eine möglichst lange Belichtungszeit verwendet wird. Abhängig von der Entfernung zwischen Merkur und Messenger – die Suche erfolgt bei Entfernungen, welche zwischen dem 2,5-fachen und dem 25-fachen Merkurradius liegen – beträgt der Zeitintervall zwischen den einzelnen Bildern mehrere Sekunden bis hin zu fast einer Stunde. Theoretisch, so die beteiligten Wissenschaftler, kann die Kamera auf ihrer Suche nach Merkurmonden auf diese Weise Objekte auflösen, welche über einen Durchmesser von lediglich etwa 100 Metern verfügen.

Derzeit findet eine weitere Suchkampagne nach Merkur-Monden statt. Im Rahmen dieser Kampagne bildete die Kamera von Messenger am 19. und 20. Juli auch mehrfach einen Bereich des Weltalls ab, in dem sich zu diesem Zeitpunkt die Erde befand. Aus einer Distanz von rund 98 Millionen Kilometern konnte dabei auch die MDIS-Kamera die Erde und den Mond räumlich trennen und in Schwarz-Weiß wiedergeben. Beide Objekte nehmen dabei weniger als eine Pixel ein. Aufgrund der langen Belichtungszeit wurden Erde und Mond dabei allerdings überbelichtet, weshalb die beiden Himmelskörper deutlich größer und zudem „verzerrt“ erscheinen.

Die nebenstehende Aufnahme zeigt einen Teilbereich des Himmels, welcher die Grenzregion zwischen den beiden Sternbildern Schütze und Schild bildet. Ebenfalls im Aufnahmebereich befindet sich dabei der Zwergplanet Pluto, welcher allerdings viel zu lichtschwach ist, um durch die MDIS-Kamera aufgelöst zu werden.

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Verwandte Internetseiten:

CICLOPS (engl.)

Der Beitrag Ein Blick aus der Ferne auf Erde und Mond erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JHUAPL.

Am 18. März 2011 trat die von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Raumsonde Messenger nach einem fast sieben Jahre dauernden Flug durch das innere Sonnensystem in eine Umlaufbahn um den Merkur ein und untersuchte diesen innersten Planeten unseres Sonnensystems in den folgenden Monaten mit den sieben an Bord der Raumsonde befindlichen wissenschaftlichen Instrumenten eingehend. Aufgrund des guten technischen Zustandes der Raumsonde und der hohen wissenschaftlichen Ausbeute wurde die ursprünglich auf 12 Monate ausgelegte Messenger-Mission schließlich um ein weiteres Jahr verlängert.
Während dieser am 17. März 2013 abgelaufenen verlängerten Missionsphase konnte die Raumsonde nicht nur die vollständige Kartierung der Oberfläche des Merkur in einer hohen Auflösung abschließen (Raumfahrer.net berichtete), sondern unter anderem auch Wassereisablagerungen in der Nordpolregion dieses Planeten nachweisen (Raumfahrer.net berichtete). Weitere Erkenntnisse bezogen sich auf die früheren vulkanischen und tektonischen Aktivitäten des Merkur und auf die langfristige Entwicklung der dortigen Topographie, auf die Entstehung, Entwicklung und Zusammensetzung der Exosphäre des Merkur und auf die Interaktion der Planetenoberfläche und der Exosphäre mit der Sonne.

Quo vadis?
Trotz dieser immens hohen wissenschaftlichen Ausbeute, durch welche unschätzbare Details über die Entwicklungsgeschichte des Merkur gewonnen wurden, konnte sich die NASA bis zum heutigen Tag allerdings immer noch nicht dazu durchringen, eine endgültige Entscheidung über das weitere Schicksal dieses immer noch voll einsatzfähigen Merkurorbiters zu treffen. Soll die Mission jetzt zeitnah beendet werden, wobei der Orbiter kontrolliert auf der Planetenoberfläche abstürzen würde, oder wird eine weitere Verlängerung dieser überaus erfolgreichen Mission beschlossen?

„Die NASA erwägt momentan eine zweite Verlängerung der Mission. Wir wurden deshalb gebeten, die Mission bis zu der offiziellen Bekanntgabe einer endgültigen Entscheidung fortzuführen“, so die Messenger-Projektmanagerin Helene Winters vom Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University (JHU) in Laurel, Maryland/USA.
Sollte sich die NASA dazu entschließen, die Mission erneut zu verlängern, so könnten die an der Mission beteiligten Wissenschaftler sich dabei auf verschiedene bisher noch nicht ausreichend beantwortete Fragestellungen konzentrieren:

• Welche einstmaligen oder derzeit noch aktiven Prozesse haben die Merkuroberfläche geformt?
• Wie hat sich die Kruste des Planeten im Laufe der Zeit entwickelt?
• In welchem Ausmaß variierte die Ablagerung von vulkanischem Material in der Vergangenheit?
• Durch welche Prozesse wurden eigentlich flüchtige Stoffe anscheinend dauerhaft in der Nordpolregion abgelagert?
• Wie verhalten sich die Ionen und Elektronen im Bereich der Planetenoberfläche und der Exosphäre im Detail?
• In welcher Form reagieren Exosphäre und Magnetosphäre auf eine starke solare Aktivität während eines solaren Maximums?
• Welche neuen Einsichten in die Entwicklungsgeschichte ergeben sich bei Untersuchungen aus einer niedrigeren Orbithöhe?

Die sich bei einer zweiten Missionsverlängerung für die Messenger-Mission ergebenden Möglichkeiten für weiterführende Forschungen sollen am morgigen 20. März 2013 auf einer gegenwärtig in The Woodlands, Texas/USA stattfindenden Planetologen-Fachtagung, der Lunar and Planetary Science Conference, erörtert und diskutiert werden.

„Der Merkur hat uns [im bisherigen Missionsverlauf] viele seiner Geheimnisse offenbart. Aber jede Entdeckung hat dabei zu neuen Rätseln geführt“, so Sean Soloman vom Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University/USA, der für die wissenschaftliche Leitung der Messenger-Mission verantwortliche Principal Investigator (kurz „PI“).
„Wir verfügen derzeit über eine voll einsatzfähige Raumsonde in einen Orbit um einen Planeten, welcher erst in zehn Jahren wieder durch eine andere Raumsonde besucht werden wird. Unsere wissenschaftlichen Pläne für eine zweite Missionsverlängerung bauen auf vorher gewonnenen Erkenntnissen auf und können durch weitere orbitale Beobachtungen erfüllt werden. Diese Beobachtungen würden dann während einer beispiellosen Phase des Sonnenzyklusses stattfinden und beinhalten zudem Beobachtungskampagnen, welche aus außerordentlich niedrigen Umlaufbahnen heraus spektakuläre Ansichten der Merkuroberfläche und eine Erforschung der oberflächennahen Bereiche [der Exosphäre] ermöglichen. Wir hoffen, dass die NASA eine weitere Untersuchung des rätselhaftesten der inneren Planeten unterstützt.“

Die Gesamtkosten der Messenger-Mission betrugen einschließlich der Entwicklung und des Baus der Raumsonde und der mitgeführten wissenschaftlichen Instrumente, der Trägerrakete sowie der Missionsdurchführung und Datenanalyse bis zum Ende der Primärmission im März 2012 etwa 427 Millionen US-Dollar. Für den August 2015 ist der Start einer weiteren, diesmal aus gleich zwei Orbitern bestehenden Merkur-Mission vorgesehen. Die von der europäischen Weltraumagentur ESA und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA betriebene Mission BepiColombo soll nach dem derzeitigen Planungsstand im Januar 2022 in einen Merkurorbit eintreten.

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Der Beitrag Messenger beendet die erste Missionsverlängerung 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: JPL, JHUAPL, The Planetary Society, Science.

Der lediglich 4879 Kilometer durchmessende Merkur, der innerste und kleinste Planet unseres Sonnensystems, umrundet die Sonne innerhalb von etwa 88 Tagen auf einer stark elliptischen Umlaufbahn in einer mittleren Entfernung von lediglich 57,9 Millionen Kilometern. Während der Nacht liegen die Oberflächentemperaturen bei etwa -170 Grad Celsius. Während des Tages werden dagegen Temperaturwerte von bis zu 430 Grad Celsius erreicht.

Trotz dieser extremen Temperaturen, bei denen sogar Blei schmelzen würde, vermuteten Planetenforscher bereits seit längerem, dass sich speziell in den Polarregionen des Merkur Wassereisablagerungen befinden könnten. Der Grund für diese Annahme liegt in der Ausrichtung der Rotationsachse des Planeten, welche lediglich um 0,01 Grad gegen die Bahnebene geneigt ist.

Dies hat zur Folge, dass auf dem Merkur während eines Planetenjahres praktisch keine Jahreszeiten auftreten, so dass das Innere von einigen der in den Polregionen gelegenen Impaktkrater niemals vom Sonnenlicht erreicht werden kann. In diesen „Kältefallen“, so die Wissenschaftler, könnte sich Wassereis ablagern, welches zuvor durch die Einschläge von Kometen und Asteroiden in diese Regionen verfrachtet wurde.

Diese Vermutung wurde erstmals im Jahr 1991 durch Radarbeobachtungen mit dem Arecibo-Teleskop erhärtet. Bei Radarbeobachtungen verrät sich Wassereis durch das typische Reflexionsverhalten seiner Oberfläche, welche im Vergleich zu normalem Oberflächengestein oder einer Schicht aus Regolith deutlich mehr Radarstrahlung reflektiert. In der Umgebung der Merkurpole wurden die von dem Arecibo-Teleskop ausgesandten Radarwellen stellenweise dermaßen stark reflektiert, dass sich die beteiligten Wissenschaftler fast sicher waren, dass hierfür nur Wassereisablagerungen verantwortlich sein können.

Diese Schlussfolgerung ließ sich allerdings derzeit nicht wissenschaftlich zuverlässig überprüfen, da die bis zu diesem Zeitpunkt einzige Raumsonde, welche den Merkur untersuchte, lediglich etwa 50 Prozent der Planetenoberfläche kartiert hatte. Speziell die Polarregionen konnten dabei von der Raumsonde Mariner 10 nur unzureichend erfasst werden.

Seit dem März 2011 befindet sich mit dem Merkurorbiter Messenger jedoch erstmals eine Raumsonde in einer Umlaufbahn um den innersten Planeten des Sonnensystems, welcher dabei mit sieben wissenschaftlichen Instrumenten eingehend untersucht wird. Eines der Hauptziele der Mission besteht in einer vollständigen Kartierung der Planetenoberfläche.

Die dabei gewonnenen topografischen Daten zeigten, dass die vom Arecibo-Teleskop beobachteten starken Radarreflexionen durchweg mit verschiedenen in den Polarregionen gelegenen Impaktkratern identisch sind, deren tiefsten Punkte zudem dauerhaft im Schattenbereich liegen und nicht vom Sonnenlicht erreicht werden können.

Zusätzlich erfolgende Untersuchungen des Reflexionsverhaltens der Merkuroberfläche im nahen Infrarotbereich bei Wellenlängen von 1,064 Mikrometern zeigten dabei Reflexionswerte, wie sie für das Reflexionsverhalten von Wassereis typisch sind. Vergleiche mit den von Messenger angefertigten Temperaturkarten der Merkuroberfläche zeigten zudem, dass die dort vorherrschenden Temperaturen permanent niedrig genug ausfallen, um das dauerhafte Vorhandensein von Wassereisablagerungen zu gestatten.

Mit einem an Bord von Messenger befindlichen Neutronen-Spektrometer konnte zudem auch die Konzentration von Wasserstoff auf und unmittelbar unterhalb der Planetenoberfläche bestimmt werden. Die Oberfläche des Merkurs wird permanent von einer hochenergetischen kosmischen Strahlung getroffen, wobei Gammastrahlen und Neutronen freigesetzt werden.

Treffen diese Neutronen auf Wasserstoffatome, so werden sie von diesen auf eine signifikante Art und Weise abgebremst. Der jetzt durch das Neutronen-Spektrometer von Messenger erbrachte Nachweis von sich relativ langsam bewegenden Neutronen im Bereich des Nordpols von Merkur wird als ein sicherer Hinweis dafür interpretiert, dass die dort befindlichen stark reflektierenden Materialien innerhalb der dortigen Impaktkrater einen relativ hohen Anteil an Wasserstoff enthalten, welcher ein Bestandteil von dort abgelagerten Wassereis darstellt.

„Unsere Daten deuten darauf hin, dass das in den Polarregionen befindliche Wassereis eine Dicke von drei Kilometern aufweisen würde, wenn man es auf die Fläche von Washington D.C. konzentrieren könnte“, so David J. Lawrence vom Applied Physics Laboratory an der Johns Hopkins University in Baltimore/USA (JHUAPL).

Laut den an den Messungen beteiligten Wissenschaftlern könnte das Wassereis einen wesentlichen Bestandteil der Ablagerungen rund um den Nordpol des Merkurs darstellen. Stellenweise erreicht die Eisschicht eine Stärke von mehreren Dezimetern, wobei es in größeren Tiefen anscheinend in fast reiner Form vorliegt. Näher an der Oberfläche ist es dagegen mit anderen Bestandteilen vermischt.

Nur in den kältesten, permanent im Schatten liegenden Bereichen der Merkuroberfläche ist das Eis direkt an der Oberfläche abgelagert. In wärmeren Regionen ist es dagegen von einer Schicht aus Lockermaterial bedeckt, durch welches das Eis gegen die direkt auf der Merkuroberfläche vorherrschende Wärme isoliert ist. Durch diese thermale Isolation wird das Eis vor einem Verdampfen geschützt.

„Überall dort, wo es laut unseren Berechnungen kalt genug ist, um Wassereisablagerungen zu ermöglichen, konnte Messenger entsprechende Ablagerungen nachweisen“, so Matthew Siegler vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/USA. „In den etwas wärmeren Regionen, wo Eis nur im Untergrund stabil sein kann, fanden wir eine Schicht aus dunklem Material – dunkler als alles andere, was wir auf dem Merkur beobachten konnten.“

Diese Schicht, so die Annahme der Wissenschaftler, setzt sich vermutlich aus Ablagerungen zusammen, welche in der Vergangenheit durch eingeschlagene Kometen und Asteroiden auf der Merkuroberfläche verteilt wurden. Das dunkle Material enthält aller Wahrscheinlichkeit nach verschiedene komplexe organische Verbindungen, die von diesen Impaktoren zusammen mit dem Wasser eingebracht wurden.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse der Messenger-Mission wurden am vergangenen Donnerstag im Rahmen einer Pressekonferenz des JPL vorgestellt und zudem in drei Artikeln in der Fachzeitschrift Science publiziert.
„Durch diese Beobachtungen ergeben sich allerdings auch neue Fragen“, so Sean Solomon, der hauptverantwortliche Wissenschaftler der Messenger-Mission von der Columbia University/USA. „Bestehen diese dunklen Ablagerungen in den Polarregionen hauptsächlich aus organischen Verbindungen? Welchen chemischen Reaktionen war dieses Material ausgesetzt? Gibt es auf oder unter der Oberfläche des Merkurs vielleicht Regionen, in denen sowohl flüssiges Wasser als auch organische Verbindungen auftreten? Nur durch eine kontinuierlich erfolgende weitere Erforschung des Merkurs können wir hierauf Antworten erhalten.“

Nach dem jetzigen Planungsstand soll die Raumsonde Messenger die Erkundung des Merkur im März 2013 beenden und kontrolliert auf der Planetenoberfläche zum Absturz gebracht werden. Für den August 2015 ist der Start einer weiteren, diesmal aus gleich zwei Orbitern bestehenden Merkur-Mission vorgesehen. Die von der europäischen Weltraumagentur ESA und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA betriebene Mission BepiColombo soll im Januar 2022 in einen Merkurorbit eintreten.

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• Messenger-Mission

Fachartikel bei Science:

• Thermal Stability of Volatiles in the North Polar Region of Mercury (engl.)
• Evidence for Water Ice Near Mercury’s North Pole from MESSENGER Neutron Spectrometer Measurements (engl.)
• Bright and Dark Polar Deposits on Mercury: Evidence for Surface Volatiles (engl.)

Der Beitrag Messenger entdeckt Wassereis auf dem Merkur 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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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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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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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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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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