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Planetologie: Ein fast vergessener Planet im Fokus

Mitte März dieses Jahres erhielt Merkur seinen ersten künstlichen Satelliten. Nach einer langen Reise traf die US-Raumsonde Messenger beim sonnennächsten Planeten ein und erforscht diesen nun ein Jahr lang. Merkur ist unter den Planeten im Sonnensystem in vielerlei Hinsicht extrem und außergewöhnlich.
Merkur
Stets den sonnennächsten Planeten Merkur im Visier, reiste die US-amerikanische Raumsonde Messenger sechseinhalb Jahre lang durch das innere Sonnensystem. In der Nacht zum 18. März 2011 fand endlich das mit Spannung erwartete historische Ereignis statt: Messenger schwenkte erfolgreich in eine Umlaufbahn um Merkur ein.

Aus Sterne und Weltraum 6/2011
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Nach der US-Raumsonde Mariner 10, die in den Jahren 1974 und 1975 an Merkur dreimal nur vorbeiflog, ist Messenger erst seine zweite irdische Besucherin – und die erste, die ihn nun während eines Jahres als Satellit umrundet. Die Vorbeiflüge von Mariner 10 gaben der Merkuroberfläche bereits ein grobes Gesicht: Die Sonde fotografierte eine zerklüftete Kraterlandschaft mit ausgedehnten Ebenen, die von langen Hügelketten unterbrochen sind – der Oberfläche unseres inaktiven alten Erdmonds verblüffend ähnlich.

So eindrücklich die Bilder von Mariner 10 auch waren, die damalige Technik war noch nicht so weit fortgeschritten, um genügend Details aufzulösen und der geologischen Geschichte Merkurs auf die Schliche zu kommen. Da die Sonde dreimal an der gleichen Seite des Planeten vorbeiflog, erfasste sie auch nur gerade 45 Prozent der Oberfläche. Obwohl der sonnennächste Planet seine gut gehüteten Geheimnisse noch nicht preisgab, geriet er nach Mariner 10 zunächst wieder in Vergessenheit.

33 Jahre lang zog Merkur einsam seine Bahn ohne Besuch von der Erde. Unentwegt tüftelten derweil aber Wissenschaftler und Ingenieure der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA an neuen Technologien, um ein Raumfahrzeug zu konstruieren, das die extremen Bedingungen in einer Umlaufbahn um den sonnennächsten Planeten überleben kann.

Die technischen Hürden, die es zu nehmen galt, waren beachtlich: Hitzeresistent, leicht und kompakt musste der erste künstliche Satellit von Merkur sein. Die in der Folge entwickelte Sonde Messenger erfüllt all diese Anforderungen. Sie ist so leicht, dass sie beim Start 600 Kilogramm Treibstoff mitführen konnte, ohne das erlaubte Startgewicht zu überschreiten – aber genügend, um später beim Einschwenken in die Umlaufbahn um Merkur stark abzubremsen zu können.

Detailaufnahme des Kraters Debussy | Mit der Telekamera von Messenger entstand diese Detailansicht des 80 Kilometer großen Kraters Debussy mit einer Auflösung von 300 Metern pro Bildpunkt. Deutlich lassen sich im Kraterinneren die Abrutschterrassen erkennen, als unmittelbar nach dem Einschlag die instabilen Kraterränder zusammenbrachen und sich zum Kraterzentrum hin verschoben. Auch ein gut ausgeprägter Zentralberg ist sichtbar. Um den Krater herum zeigen sich Auswurfstrahlen, hier ist aus dem Krater herausgeschleudertes Material niedergegangen.
Dank eines Hitzeschilds aus Keramikfasern, hinter dem ihre Instrumente bei Raumtemperatur arbeiten, widersetzt sich Messenger der versengenden Sonneneinstrahlung. Denn die Sonne erscheint in der Merkurumlaufbahn bis zu gut dreimal so groß und fast elfmal so hell wie bei der Erde.

7,9 Milliarden Kilometer weiter

Das erste Etappenziel ihrer jahrzehntelangen Arbeit erreichten die Entwickler von Messenger am 3. August 2004, als die Sonde an Bord einer Delta-II-Trägerrakete von der Cape Canaveral Air Force Station in Florida erfolgreich ihre lange Reise zum Merkur antrat. Um in die unwirtliche, heiße Umgebung im Innersten des Sonnensystems vorzustoßen, legte sie 7,9 Milliarden Kilometer zurück und umkreiste die Sonne insgesamt 15-mal. Einmal flog sie an der Erde, zweimal an der Venus und dreimal an Merkur, ihrem späteren Ziel, vorbei.

Blick auf den Horizont | Als die beiden Kameras an Bord von Messenger aktiviert wurden, blickte die Weitwinkelkamera zum Horizont des Planeten. Es lassen sich mehrere Einschlagkrater mit Auswurfstrahlen ausmachen.
Ohne diese nahen Vorbeiflüge hätte sich Messenger mit so hoher Geschwindigkeit auf sein finales Reiseziel, den Merkur, zubewegt, dass kein Antriebssystem der Welt sie genügend abbremsen und auf eine Umlaufbahn um den Planeten hätte bringen können.

Während des Abbremsmanövers in 155 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde feuerte die Sonde 15 Minuten lang mit ihrem Triebwerk in Richtung der Vorwärtsbewegung und verlangsamte so ihre Geschwindigkeit gegenüber Merkur um 860 Meter pro Sekunde. Dadurch war sie langsam genug, um sich vom Gravitationsfeld des Planeten einfangen zu lassen.

Das heikle Unterfangen glückte perfekt: Die angestrebte stark exzentrische und beinahe polare Umlaufbahn stimmt mit der erreichten bis auf kleine Abweichungen weit innerhalb der Toleranzgrenzen überein. Angepeilt war eine Bahnneigung von 82,5 Grad relativ zu Merkurs Äquator. Die Neigung des ersten Bahndurchlaufs betrug schließlich 82,52 Grad. Der geringe Fehler von nur zwei Hundertstel Grad dürfte zu verschmerzen sein.

Eine Region nahe des Merkur-Nordpols | In den hohen nördlichen Breiten des Merkur liegt diese rund 84 Kilometer breite Region, die hier von der Telekamera der Raumsonde Messenger mit einer Auflösung von 166 Metern pro Bildpunkt erfasst wurde. Es ist eine Lavaebene, die von zahlreichen kleineren Einschlagkratern übersät ist. Manche von ihnen sind Sekundärkrater, die durch den Einschlag großer Brocken entstanden, die bei Asteroideneinschlägen aus der Merkurkruste herausgesprengt wurden. Sie sind häufig in Reihen angeordnet.
Die nahezu polare Bahn von Messenger wird durch gelegentliche Triebwerkszündungen sonnensychron gehalten. Dies bewirkt, dass auf die beiden Solarsegel der Sonde zu jedem Zeitpunkt genügend Sonnenlicht trifft und stets optimale Beleuchtungsverhältnisse herrschen. Um ihre Instrumente zu schonen, wurde die Form der Bahn so gewählt, dass sich Messenger nur beschränkte Zeit in geringem Abstand über dem heißen Planeten aufhält. Für einen Umlauf um Merkur benötigt die Sonde rund zwölf Stunden, dabei nähert sie sich seiner Oberfläche bis auf 200 Kilometer und entfernt sich von ihr im äußersten Punkt der Bahn bis zu 15 200 Kilometer.

Merkur wirft viele Fragen auf

Ausgerüstet mit sieben wissenschaftlichen Instrumenten und einem Radiowellenexperiment fühlt Messenger dem kleinsten, sonnennächsten und daher auch schnellsten Planeten des Sonnensystems ein Jahr lang auf den Zahn. Die Aufnahmen aus der Umlaufbahn schließen die letzten weißen Flecken auf Merkurs Landkarte, die nach den Vorbeiflügen von Mariner 10 und Messenger hauptsächlich in den Polregionen noch verblieben sind. Elf Tage nachdem Messenger in die Umlaufbahn eingeschwenkt war, aktivierte die Sonde ihre Instrumente und funkte erste Bilder zur Erde. Anfang April begann sie mit der systematischen detaillierten Kartierung der Merkuroberfläche.

Planungsbild der ersten Testaufnahme von Messenger | Am 29. März 2011 soll die Weitwinkelkamera der US-Raumsonde Messenger das auf dieser Merkuransicht gelb umrandete Gebiet ablichten. Diese entstand aus den Bilddaten der Raumsonden Mariner 10 und Messenger, die bei ihren Vorbeiflügen in den Jahren 1974 und 1975 beziehungsweise 2008 bis 2010 aufgenommen wurden. Das schwarze Gebiet wurde bislang von keiner Raumsonde erfasst.
Während der ein Jahr dauernden Primärmission wird Messenger den Merkur 700-mal umrunden und dabei rund 75 000 Bilder liefern. Dabei bildet die Kamera der Sonde die Oberfläche des Planeten dreidimensional ab. Die Höhenunterschiede vermisst sie zudem mit einem Laseraltimeter, wodurch sich eine dreidimensionale topografische Karte erstellen lässt.

Das Abbremsmanöver und die historische erste Umrundung Merkurs | Mit einem viertelstündigen Bremsmanöver des Bordtriebwerks konnte die US-Raumsonde Messenger am 18. März 2011 um 1:45 Uhr MEZ in eine Umlaufbahn um den sonnennächsten Planeten einschwenken. In der linken Teilgrafik ist die Lage der Bahn aus Erdsicht dargestellt, die rechte Grafik zeigt die Bahn aus der Sicht eines hypothetischen Beobachters auf der Sonne. Für einen Umlauf um Merkur benötigt Messenger rund zwölf Stunden, dabei nähert sich die Sonde der Oberfläche bis auf 200 Kilometer und entfernt sich bis zu 15 400 Kilometer vom Planeten.
Merkur gehört zu den erdähnlichen felsigen Planeten so wie Venus und Mars. Er ist unter diesen der dichteste und derjenige mit der ältesten Oberfläche, aber im Gegensatz zu den anderen noch kaum erforscht. Mit einem Durchmesser von 4878 Kilometern ist er nur wenig größer als der Erdmond. Seine Umlaufbahn um die Sonne weist die größte Exzentrizität von allen Planeten des Sonnensystems auf, und die täglichen Temperaturschwankungen an seiner Oberfläche reichen von 430 Grad Celsius auf der Tagseite bis zu minus 170 Grad Celsius auf der Nachtseite. Da die Polachse von Merkur beinahe senkrecht auf seiner Bahnebene steht, liegen manche Kratermulden nahe den Polregionen stets im Schatten bei eisigen Minustemperaturen.

Im Verhältnis zu seiner Größe besitzt Merkur einen riesigen Eisenkern, der 60 Prozent seiner Gesamtmasse ausmacht und 75 Prozent seines Radius einnimmt. Die Kerne der anderen felsigen Planeten haben nicht annähernd einen so großen Anteil an ihren Massen und Volumina. Auch scheint Merkurs Kern teilweise aufgeschmolzen zu sein, denn ihn umgibt wie die Erde ein globales Dipolmagnetfeld, wobei das der Erde von Strömungen im flüssigen Metall des äußeren Erdkerns erzeugt wird, der den festen inneren Kern umschließt.

Um den Ursprung von Merkurs Magnetfeld zu finden, ist Messenger mit einem Magnetometer ausgerüstet, das die Feldstärke und räumliche Verteilung des Felds ermittelt. Innerhalb von nur fünf Tagen verdreifachte Messenger in der Umlaufbahn die Zahl der Feldmessungen im Vergleich zu den Daten, die nach den insgesamt sechs vorangegangenen Vorbeiflügen an Merkur zur Verfügung standen.

Messenger in der Umlaufbahn um Merkur | Was bislang nur in künstlerischen Darstellungen wie dieser zu sehen war, ist nun Wirklichkeit: Seit dem 18. März 2011 um 1:45 Uhr MEZ umläuft die US-Raumsonde Messenger als erster künstlicher Satellit den Merkur – den innersten Planeten unseres Sonnensystems.
Die Rätsel, die der extreme, ungewöhnliche Planet immer noch aufwirft, sind zahlreich: Warum ist dieser Planet so außergewöhnlich dicht? Was hat es mit seinem Magnetfeld auf sich? Befindet sich an seinen Polen tatsächlich gefrorenes Eis, so wie manche Forscher vermuten? In seinem Inneren scheint Merkur einem jungen dynamischen Planeten wie der Erde zu ähneln, außen aber sieht er aus wie der inaktive alte Erdmond. Um diesen Widerspruch aufzulösen und die Vorgänge in und auf Merkur besser zu verstehen, sammelt Messenger nun emsig Informationen über Merkurs Kruste, seine geologische Vergangenheit, die Zusammensetzung seiner dünnen Atmosphäre und seiner aktiven Magnetosphäre und auch über seinen inneren Aufbau.

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