Sonnensystem: Lange vermutet - endlich gefunden: Eis auf Merkur

Schon seit den 1990er Jahren wurde Eis auf Merkur vermutet. Da die Oberfläche des Planeten bis zur Ankunft der Raumsonde Messenger jedoch nur zur Hälfte bekannt war, konnte dieses Eis nie eindeutig nachgewiesen werden. Die neuen Messungen der Sonde fanden nun aber stark reflektierende Materialien in polnahen Kratern des sonnennächsten Planeten: Allem Anschein nach handelt es sich um gefrorenes Wasser.

Elena Sellentin

Ungewöhnliche Strukturen in kleinem Einschlagkrater — © NASA / JHUAPL / Carnegie Institution of Washington (Ausschnitt)

Merkur umrundet die Sonne in einem mittleren Abstand von nur 0,4 Astronomischen Einheiten, das entspricht 58 Millionen Kilometern. Er ist damit der Sonne so nahe, dass die Temperaturen an seiner Oberfläche bis zu 430 Grad Celsius betragen können.

Die Nordpolregion von Merkur | Bilder der US-Raumsonde Messenger sind hier zu einem Mosaik der Nordpolregion des Merkur vereinigt. In gelb wurden Radardaten, die vom 300-Meter-Radioteleskop von Arecibo in Puerto Rico stammen, überlagert. Die im Radarbereich hellsten Regionen stimmen mit den Wällen und Böden von Einschlagkratern überein, die nie von der Strahlung der Sonne erreicht werden, und daher bis zu –223 Grad Celsius kalt sind.

Trotzdem vermuteten Wissenschaftler schon lange Eis auf der Oberfläche des sonnennächsten Planeten. Der Grund hierfür ist die spezielle Lage seiner Rotationsachse: Da sie fast senkrecht auf seiner Bahnebene steht, gibt es keine Jahreszeiten. An Merkurs Polen fällt das Sonnenlicht daher immer nur streifend ein und Aufnahmen seiner Oberfläche zeigen, dass der Nordpol permanent im Schatten liegt. Gerade der Boden von tiefen Kratern in diesen Regionen kann daher nie von der Sonne erwärmt werden und bietet damit als Kältefalle ideale Bedingungen für die Ansammlung von Wassereis. Ähnliche Temperaturen wie in diesen Kältefallen finden sich in unserem Sonnensystem erst wieder auf den vereisten Monden des Jupiter.

Eis verrät sich durch seine Oberfläche, die mehr Strahlung reflektiert als umliegendes Gestein. Bereits 1991 wurden durch Radaruntersuchungen mit dem Arecibo-Radioteleskop auf Puerto Rico erste Anzeichen für Wassereis auf Merkur gefunden: Polnahe Stellen der Merkuroberfläche reflektierten die Radiostrahlung so stark, dass Wassereis als Ursache vermutet wurde. Seinerzeit ließ sich dieser Verdacht nicht überprüfen, da bis dahin nur 50 Prozent der Merkuroberfläche durch die Raumsonde Mariner-10 erfasst waren. Von den reflektiven Stellen war somit unbekannt, ob sie kalt genug wären, um Eis beherbergen zu können.

Die Schattenverteilung in der Nordpolarregion von Merkur | Die in Rot dargestellten Bereiche auf diesem Fotomosaik der Nordpolregion des Merkur sind auf allen Bilderm, welche die US-Raumsonde Messenger zur Erde funkte, ständig im Schatten. Dies gilt insbesondere für die polnahen großen Einschlagkrater wie Prokowjew und Kandinsky. Da diese Gebiete nie von der Sonne beleuchtet werden, können die Temperaturen dort deutlich unterhalb von –200 Grad Celsius liegen. Somit können sich hier auch größere Ansammlungen von Wassereis über Zeiträume von mehreren Milliarden Jahren halten, insbesondere dann, wenn sie von einer Schicht aus Gesteinsmaterial überlagert sind.

Erst 2011 kartierte die US-Raumsonde Messenger von einer Umlaufbahn aus die Oberfläche des Merkur vollständig. Aus diesen topografischen Daten konnte nun eine Temperaturkarte der Merkuroberfläche erstellt werden. Die Karte bestätigte, dass die von Arecibo nachgewiesenen reflektiven Regionen sonnengeschützte Krater waren, in denen es kalt genug ist, um Wassereis zu halten: bis zu -223 Grad Celsius herrschen dort.

Nun hat Messenger das vermutete Wassereis erneut ins Visier genommen: Die Sonde untersuchte im Infraroten das Reflexionsverhalten der Oberfläche. Bei einer Wellenlänge von 1,064 Mikrometern im nahen Infrarot fand sie dabei stellenweise hohe Reflexionswerte, so wie dies von Wassereis zu erwarten ist. Der Vergleich mit einer Temperaturkarte zeigte auf, dass die reflektiven Regionen Stellen auf der Merkuroberfläche entsprechen, die kalt genug sind, so dass sich dort Wassereis ablagern kann. Die Untersuchungen wurden von zwei Forschergruppen um Gregory A. Neumann am Goddard Space Flight Center der NASA und um David A. Paige an der University of California in Los Angeles durchgeführt.

Durchschnittliche Oberflächentemperatur im Norden von Merkur | Mit Hilfe der durch die US-Raumsonde Messenger erfassten Topografie der Merkuroberfläche ließ sich diese Karte der durchschnittlichen Temperatur der nördlichen Merkuroberfläche in einer Tiefe von zwei Zentimetern berechnen. Die niedrigsten Temperaturen im Bereich von -220 Grad Celsius finden sich an den Böden und Wällen der polnahen Einschlagkrater und sind in Violett dargestellt. In diesen Gebieten kann sich Wassereis über lange Zeiträume hinweg halten und verdampft nicht.

Die Wissenschaftler um David J. Lawrence an der Johns Hopkins University nutzten das Neutronen-Spektrometer von Messenger und erhielten Aufschluss über die chemische Zusammensetzung des vermutlichen Eises. Ein solches Spektrometer kann Wasserstoff aus großen Höhen über der Planetenoberfläche nachweisen: Die Oberfläche des Merkur wird von hochenergetischen kosmischen Teilchen bombardiert. Dabei werden Neutronen mit einer hohen Geschwindigkeit aus der Oberfläche heraus geschlagen. Trifft ein Neutron jedoch auf Wasserstoff, so wird es von ihm gebremst. Eine wasserstoffhaltige Eisschicht über der Planetenoberfläche verrät sich einem Neutronen-Spektrometer also dadurch, dass sich aus der vereisten Region nur langsame Neutronen nachweisen lassen.

Mit dieser Technik ließ sich bestätigen, dass die reflektiven Substanzen in den Merkurkratern sehr viel Wasserstoff enthalten. Es handelt sich bei dem Eis daher vermutlich um gefrorenes H₂O – also um Wassereis.

Die Dicke des Eises beträgt mehrere Dezimeter. In der Tiefe scheint es fast rein zu sein, in den oberen 10 bis 20 Zentimetern ist es aber durch andere Substanzen verunreinigt. Nur an den kältesten Stellen liegt es direkt an der Oberfläche. In wärmeren Regionen ist es unter einer Gesteinsschicht verborgen, die es gegen die Wärme an der Merkuroberfläche isoliert und daher dieses Eis nicht verdampft.

Die Schicht ist stellenweise überraschend dunkel und besteht wohl aus Ablagerungen, die von eingeschlagenen Kometen oder Asteroiden auf der Merkuroberfläche verstreut wurden. Das dunkle Material enthält aller Wahrscheinlichkeit nach organische Moleküle, die vermutlich zusammen mit dem Wasser eingebracht wurden.

Messenger konnte Wassereis bisher nur an Merkurs Nordpol nachweisen, denn ihre Umlaufbahn erlaubte keine genaue Erfassung der südlichen Polarregionen.

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