Bislang haben nur zwei Raumsonden den Merkur besucht: die NASA-Missionen Mariner 10 und MESSENGER. Obwohl Merkur unserem Planeten recht nahe ist, zählt er aufgrund seiner extremen Lage im Gravitationsfeld der Sonne zu den anspruchsvollsten Zielen der planetaren Raumfahrt: Um eine Raumsonde in die Umlaufbahn des Merkur zu bringen, muss sie große Mengen an Energie aufwenden, um der starken Anziehungskraft der Sonne entgegenzuwirken. Das macht Missionen zum innersten Planeten des Sonnensystems außergewöhnlich aufwendig, komplex und teuer.

"Merkur besitzt – ähnlich wie unser Mond – keine klassische Atmosphäre, sondern lediglich eine sogenannte Exosphäre", erklärt Daniel Schmid vom Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), der Erstautor der nun in der Fachzeitschrift "Nature Communications" veröffentlichten Studie. Diese bildet die äußerste, extrem dünne Hülle eines Planeten und geht nahezu übergangslos in das Vakuum des Weltraums über. "Aufgrund der geringen Dichte stoßen die Teilchen kaum miteinander zusammen und bei ausreichend hoher Geschwindigkeit können sie die Anziehungskraft des Planeten überwinden", ergänzt Ko-Autor Helmut Lammer.

Den Forscher:innen gelang es nun, erstmals atomares Lithium in der Exosphäre des Merkurs ausschließlich über Magnetfeldmessungen nachzuweisen. Grundlage war eine neue Methode zur Untersuchung von Exosphären mittels sogenannter Pick-up-Ionenzyklotronwellen (Ion Cyclotron Waves - ICWs) – spezieller elektromagnetischer Wellen, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und neutralen Teilchen in der Exosphäre entstehen und sich anhand von Magnetfeldmessungen eindeutig identifizieren lassen. Diese neue Herangehensweise eröffnet vielversprechende Perspektiven für das Verständnis der großräumigen Struktur und chemischen Zusammensetzung planetarer Exosphären – allein durch Magnetfeldmessungen. 

Ungebremste Meteoriten

Insgesamt identifizierten die Forscher zwölf Ereignisse, deren Teilchendichte mit zunehmender Entfernung zwischen rund 2.400 und 15.000 km über der Planetenoberfläche abnimmt. Eine detaillierte Analyse der Ergebnisse zeigte, dass mit großer Wahrscheinlichkeit Meteoriten mit einem Durchmesser von 20 - 40 cm beim Aufprall auf der Merkur-Oberfläche verdampften und dabei das Lithium und andere flüchtige Elemente in die Exosphäre freisetzten. "Anders als auf der Erde, wo Meteoroide in der Atmosphäre verglühen, erreichen sie auf Merkur die Oberfläche ungebremst und reichern die Exosphäre kontinuierlich an", ergänzt Lammer.

Die Nähe des Merkurs zur Sonne erlaubt einzigartige Einblicke in die Bildung von Gesteinsplaneten unter extremen Umweltbedingungen. Frühere Modelle erklärten Merkurs hohe Dichte durch massive Einschläge oder durch die Verdampfung von Mantelmaterial unter der Hitze der jungen Sonne. Dementsprechend wurde lange angenommen, dass Merkur arm an flüchtigen Elementen sei. Doch neue Beobachtungen widersprechen dieser Annahme. Die Krusten- und Mantelschicht des Planeten enthält offenbar deutlich mehr flüchtige Elemente als erwartet – vergleichbar mit jenen auf dem Mars. 

Die aktuelle Entdeckung von Lithium stützt diese Befunde. "Unsere Analyse legt nahe, dass die Ablagerung von meteoritischem Material die Hauptquelle des gemessenen Lithiums ist", so Lammer. "Diese externen Einträge könnten die durch MESSENGER gemessene Zusammensetzung der oberflächennahen Gesteinsschichten erheblich beeinflusst – oder sogar verfälscht – haben." Damit ergeben sich neue Fragestellungen zur frühen Entwicklung von Gesteinsplaneten in unmittelbarer Sternnähe – auch mit Blick auf extrasolare Planetensysteme.

Antworten auf zentrale Fragen

Derartige Erforschung des Merkurs benötigen Messinstrumente, wie sie am Institut für Weltraumforschung der ÖAW entwickelt wurden. Diese stellen für Technik und Wissenschaft ein große Herausforderung dar, da sie trotz der am Merkur herrschenden extremen Temperaturen präzise Messungen erlauben müssen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind wesentlich für ein besseres Verständnis planetarer Systeme – nicht nur in unserem Sonnensystem, sondern auch darüber hinaus. Sie helfen dabei, zentrale Fragen der Planetenforschung zu beantworten: Wie entstehen Gesteinsplaneten? Welche Rolle spielen äußere Einflüsse wie Sonnenwind oder Meteoriteneinschläge? Und wie verändert sich ein Planet über Milliarden Jahre hinweg?

"Unsere Forschung zeigt, dass Merkur wie eine Art Meteoritendetektor im inneren Sonnensystem wirkt und selbst kleinste Teilchen aus dem All bleibende Spuren hinterlassen – Spuren, die uns helfen, die Vergangenheit eines Planeten zu entschlüsseln. Das ist nicht nur wissenschaftlich spannend, sondern auch essenziell, um unseren Platz im Universum besser zu verstehen", betont Schmid.