Terug naar Mercurius

Zo heet als gesmolten lood en zo pokdalig als de maan, maar verder een lege wereld en dus weinig interessant. Zo luidde dertig jaar geleden het oordeel nadat de Mariner 10 Mercurius was voorbijgevlogen. De aanblik van de planeet nodigde nou niet bepaald uit om meer verkenners op pad te sturen. Mars en Venus: dát waren pas planeten die op de aarde leken. Daarheen vertrokken dan ook tientallen ruimtevaartuigen.

Voor Jupiter en Saturnus was er een soortgelijke reden. Weliswaar leken zij in de verste verte niet op de aarde, maar zij hadden grote manen, die wellicht een dampkring zouden bezitten. Zelfs Uranus en Neptunus werden aan een uitgebreide inspectie onderworpen. Maar Mercurius, een van onze naaste buren, bleef van nader onderzoek verstoken.

IJzeren bal

En toch is Mercurius die moeite waard. Want de kleine planeet is in feite een gigant in ons zonnestelsel. Venus, de aarde en Mars zijn weliswaar groter, maar bestaan grotendeels uit rots. De reuzenplaneten, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus, zijn nog groter, maar zijn van gas.

Mercurius daarentegen bestaat voor 60 tot 70 procent uit nikkel en ijzer. Tezamen zijn deze metalen opgehoopt in een reusachtige kern, die meer dan driekwart uitmaakt van de doorsnede van de planeet. Pas daaromheen bevindt zich een dunne korst van rots. Sterrenkundigen noemen Mercurius dan ook een ‘ijzeren bal, die vervuild is met een dun laagje modder’.

Zo’n afwijkende samenstelling schreeuwt natuurlijk om een verklaring. Want waarom zou juist Mercurius een enorme metaalkern hebben, terwijl Venus, de aarde en Mars, die in hetzelfde deel van het zonnestelsel ontstonden, met veel kleinere kernen zijn toebedeeld?

Het antwoord, zeggen sinds kort de specialisten, is heel dramatisch. Er was een tijd dat Mercurius tweeëneenhalf maal groter was. Toen kwam hij in botsing met een andere, kleinere planeet. Zijn rotsachtige korst werd daarbij finaal in de ruimte geblazen. Wat overbleef was de metalen kern, die later nog een klein deel van de verpulverde rotsmassa’s opveegde.

Dat er 4,5 miljard jaar geleden, kort na de samentrekking van de zon uit een gaswolk, allerlei botsingen plaatsvonden staat buiten kijf. Zo ontstonden immers de planeten: uit losse stukjes gruis die om de zon wentelden en die door onderlinge botsingen en wederzijdse aantrekkingen tot steeds zwaardere rotsblokken samensmolten.

George Wetherill, van de Carnegie Institution in Washington, ging in 1981 na hoe uit tien miljard van dergelijke rotsblokken honderd ‘planetesimalen’ in ons deel van het zonnestelsel ontstonden: baby-planeetjes ter grootte van onze maan. Hieruit kwamen uiteindelijk vier planeten te voorschijn die elkaar niet meer beïnvloedden. Ze liepen op nagenoeg dezelfde plaatsen rond de zon als tegenwoordig Mercurius, Venus, de aarde en Mars.

Vanzelfsprekend betrof dit een nagebootste situatie. In werkelijkheid kunnen zich nog ingewikkelder taferelen hebben voorgedaan. “De meeste baby-planeetjes eindigden hun leven door botsingen met de aarde of Venus,” stelde Wetherill. “Door hun grootte waren zij nagenoeg onkwetsbaar. Maar een paar kleinere exemplaren overleefden het ook: Mars en Mercurius. Hun bestaan moet echter lange tijd onzeker zijn geweest.”

Mercurius, met niet veel meer dan een twintigste van de massa van de aarde, leidde in het bijzonder een hachelijk bestaan. Gedurende de eerste honderd miljoen jaar was er constant het gevaar dat de kleine planeet alsnog door een van zijn grotere familieleden zou worden opgeslokt. Maar het was slechts een botsing met een veel kleinere soortgenoot die plaatsvond, meent Wetherill. Daardoor ging alleen de buitenste korst verloren en bleef de ijzeren kern nagenoeg onbeschadigd.

Feiten over Mercurius

Merciurius is een van de heetste plaatsen in ons zonnestelsel. De temperatuur aan het zon beschenen oppervlak loopt op tot 450 ^oC. Alleen het oppervlak van Venus is door de verstikkende atmosfeer van die planeet nog heter (tot 467 ^oC). Aan de nachtzijde van Mercurius daalt de temperatuur tot –170 ^oC. In de permanent beschaduwde kraterdalen aan de polen is de temperatuur nog lager: minder dan –212 ^oC. Daar bevinden zich mogelijk afzettingen van waterijs. Mercurius is bezaaid met kraters. Alleen het Caloris Bassin, een 1300 km grote vlakte die is onstaan na de inslag van een grote planetoïde, is relatief vlak.

Een etmaal op Mercurius duurt 58,65 aardse dagen, het jaar 87,97 aardse dagen. Het jaar op Mercurius duurt dus slechts anderhalve Mercuriusdag. Dit feit en de hoge excentriciteit van de baan van Mercurius om de zon veroorzaakt vreemde effecten. Zo kan een waarnemer op sommige lengtegraden van Mercurius de zon zien opkomen en langzaam naar het zenit (hoogste punt aan de hemel) zien bewegen. Daar aangekomen komt de zon tot stilstand, keert terug op zijn schreden, stopt en herneemt zijn koers, en daalt tenslotte al kleiner wordend af naar de tegenovergestelde horizon. In die tijd zijn de sterren drie keer sneller rondgedraaid. Waarnemers op andere plaatsen zien andere, maar even bizarre bewegingen.

De diameter van de planeet bedraagt 4878 km, wat iets groter is dan onze maan (3476 km). Mercurius heeft een zeer ijle atmosfeer van onder andere helium. De partiële druk van helium aan de dag-nachtgrens bedraagt 5 × 10^-12 millibar. De totale druk aan het planeetoppervlak is minder dan 2 × 10^-9 millibar. Andere in de atmosfeer voorkomende elementen zijn onder andere waterstof, zuurstof, kalium, natrium en calcium. Waterstof en helium worden deels ingevangen uit de zonnewind. De overige elementen worden door het voortdurende bombardement door de zonnewind van het planeetoppervlak vrijgemaakt of worden nog ‘uitgegast’.

De gemiddelde dichtheid van Mercurius is 5,43 g/cm³. Daarmee is het de één na dichtste planeet van ons zonnestelsel (aarde 5,52 g/cm³, Mars 3,93 g/cm³). Hoewel Mercurius veel kleiner is dan Mars, is door zijn veel hogere dichtheid (Mars) de versnelling van de zwaartekracht aan het oppervlak van beide planeten nagenoeg even groot: 0,378 g. Een aardling van 100 kg weegt zowel op Mercurius als op Mars dus nog geen 38 kg.

Net als de aarde kent Mercurius een magnetosfeer, maar de sterkte daarvan is slechts 1% van die van de aarde.

In 1989 ontving Wetherills hypothese belangrijke bijval. Willy Benz en Alistair Cameron van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en Wayne Slattery van het Los Alamos National Laboratory toonden aan dat het idee op zijn minst aannemelijk was. De drie onderzoekers gebruikten een Cray-supercomputer om na te gaan wat er zou gebeuren als een oer-Mercurius, met een gewone samenstelling van 32 procent ijzer en 68 procent rots, in botsing zou komen met een object van dezelfde samenstelling, maar slechts een zesde aan massa.

Het zou niet meevallen de details van de botsing te berekenen. Maar Benz en zijn collega’s vonden een manier om het probleem te vereenvoudigen. Eerst verdeelden zij de twee botsende hemellichamen onder in duizenden deeltjes. Vervolgens brachten zij daarvan de banen in kaart. Zo werden veertien ‘crashvarianten’ nagegaan, waarvan er twee leidden tot het volgende resultaat.

Bij zowel een ‘schampschot’ met 126.000 km/h als een frontale botsing met 72.000 km/h verdampten de rotsachtige mantels van Mercurius en het inslaande object. Beide werden daarbij tot een soort van pannekoek platgeslagen, maar de twee ijzerkernen klonterden samen in het centrum van de botsing. Uiteindelijk zorgde de zwaartekracht ervoor dat hieruit één enkele ijzerplaneet ontstond. De verdampte rotsmassa’s verdwenen in de ruimte in een zelfstandige baan om de zon.

Die baan kruiste natuurlijk die van Mercurius. Na verloop van tijd zou dus weer een grotere planeet kunnen onstaan, wat het effect van de botsing teniet zou doen. Maar, zeggen Benz en zijn collega’s, er is een manier te bedenken waarbij het leeuwedeel van de rots van tevoren werd weggeveegd. Kort na de catastrofe koelde de verdampte rots immers af en condenseerde als gruis, dat blootstond aan de straling van de zon. Als gruisdeeltjes klein genoeg zijn, ondervinden ze weerstand door onophoudelijke botsingen met zonlicht. Ze spiralen dan naar de zon toe, net als een satelliet die naar de aarde terugvalt door wrijving met de atmosfeer. Op die manier bleef Mercurius van verdere aangroeiing verstoken en was zijn toekomst als ijzeren planeet begonnen.

Het strippen van de rotsmantel van Mercurius is niet de enige catastofale gebeurtenis die Benz en zijn collega’s hebben onderzocht. Al eerder keken ze naar afwijkende situaties en probeerden die te verklaren door middel van de botsingentheorie. De aarde is bijvoorbeeld ook een vreemde eend in het zonnestelsel. Onze eigen planeet heeft een absurd grote maan met juist een tekort aan ijzer. Een paar jaar eerder bedachten de onderzoekers daar een soortgelijke oplossing voor als voor Mercurius, waarin eveneens de ijzerkernen versmolten. Uit de resterende rotsmassa ontstond later de maan. Ook verklaren de onderzoekers op die manier de gekantelde draaiing van Uranus. Een opgeslokte planetesimaal zorgde ervoor dat die planeet voortaan op zijn zij ging draaien.

Een computersimulatie kan natuurlijk nooit het bewijs zijn dat het allemaal echt zo is gegaan. In het geval van het overschot aan ijzer op Mercurius is er nog een verklaring.

In 1978 kwam de Amerikaanse astronoom Weidenschilling ook met een ‘stofzuigermodel’, maar dan zonder voorafgaande botsing. Hij veronderstelde dat het rotsachtige gruis dicht bij de zon was afgeremd vóórdat Mercurius ontstond, terwijl het veel zwaardere nikkelijzer ongehinderd op die plaats bleef ronddraaien. De kracht van de botsingstheorie is echter dat die een logisch gevolg is van het proces van planeetformatie. Zelfs Weidenschilling vindt de berekeningen daarom veelbelovend. Maar volgens hem is er nog geen definitief uitsluitsel. “Wat we nodig hebben zijn bodemmonsters van Mercurius,” zegt hij.

Geen gewone raket

Komt het er nog van, zo’n bemonstering van de ijzeren planeet? Een opvolging van de Mariner-10-missie werd lange tijd onmogelijk geacht geacht. Voor een vlucht naar Mercurius zijn gewone raketten immers minder geschikt, omdat er geweldig moet worden afgeremd. De aarde draait namelijk zelf met een snelheid van 107.000 km/h om de zon en een aanzienlijk deel van die snelheid moet worden kwijtgeraakt om bij Mercurius te komen. Een tweede obstakel vormde het ontwerpen van een vaartuig dat de hitte in de buurt van de zon kan doorstaan. Aan de dagzijde van Mercurius loopt de temperatuur immers op tot 450^o Celsius.

Toch werd voor beide problemen een oplossing gevonden. Chen Wan Yen, een ingenieur van het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, ontdekte dat ook een gewone raket voldoet als daarbij een slingerworptechniek wordt toegepast die nu eens gebruik maakt van de zwaartekrachtswerking van Venus, dan weer van Mercurius zelf. Weliswaar neemt de vlucht zo jaren in beslag, maar dat valt in het niet bij de langdurige vluchten naar de buitenste planeten. Ook het probleem van de intense zonnestraling kon worden opgelost. Zo werd de eind jaren tachtig richting Venus en Jupiter gelanceerde Galileo al met hittewerende schilden uitgerust.

MESSENGER

De MESSENGER-vlucht, waarvan het dertien dagen durende lanceervenster op dinsdag 3 augustus begon, is nu uitgerust met een keramisch hittewerend schild om het instrumentarium op kamertemperatuur te houden én maakt gebruik van een slingerworptechniek om eerst twee keer langs Venus te vliegen, daarna drie keer langs Mercurius om jaren later uiteindelijk in een baan om de kleine planeet te komen.

MESSENGER staat voor MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging. De sonde gaat in een paar jaar tijd op weg naar Mercurius. Die planeet is vernoemd naar de oude god van reizen, handel en natuurlijk boodschappers. Met de missie wil de NASA antwoord krijgen op zes vragen: waarom is de gemiddelde dichtheid van Mercurius zo hoog, hoe ontstond de planeet en hoe heeft hij zich geologisch ontwikkeld, wat is de structuur van Mercurius’ kern, hoe ontstaat het magneetveld van de planeet, is er ijs aan de polen, en welke vluchtige gassen bevinden zich om de planeet?

Aan boord bevindt zich daartoe een uitgebreid instrumentarium en camera’s, Met zeer nauwkeurige positiemetingen van de ruimtesonde ten opzichte van Mercurius planeet wordt gekeken of de planeet ‘libreert’ ofwel net als een tol om zijn as heen en weer schommelt. Zo’n libratie zou wijzen op een vloeibare buitenkern. Door een verschil in rotatiesnelheid van een vloeibare buitenkern ten opzichte van een vaste binnenkern zou een dynamo-effect kunnen zijn ontstaan, dat mogelijk ten grondslag ligt aan het magnetisch veld dat door Mariner 10 om de kleine planeet is aangetroffen.

Jammer dat het nog zo lang duurt voordat we op al deze knagende vragen een antwoord krijgen. De flybys van Mercurius vinden pas plaats op 15 januari en 6 oktober 2008 en op 30 september 2009, terwijl MESSENGER pas in maart 2011 in een baan om de planeet wordt gebracht. Maar het is in ieder geval een begin. Veel planeetdeskundigen denken dat het onderzoek van Mercurius een sleutelrol zal vervullen bij het reconstrueren van de vroegste geschiedenis van ons zonnestelsel. Misschien wordt de kleine planeet dus eindelijk net zo belangrijk als de rest. Ook hij is in het zonnestelsel ten slotte een onderdeel van de puzzel.

De lancering van MESSENGER kan live via internet of via NASA TV worden gevolgd. De eerste lanceerpoging was gepland op maandag 2 augustus om 08.16 u. Nederlandse tijd. Door slechte weersverwachting kon die poging niet doorgaan, maar een dag later raasde de sonde de ruimte in. De meest recente informatie wordt verstrekt door het Virtual Launch Control Center van het John F. Kennedy Space Center.