Neue Beobachtungen der MESSENGER-Raumsonde stützen überzeugend die lang gehegte Hypothese, dass Quecksilber in seinen polaren Kratern reichlich Wassereis enthält.
Drei unabhängige Belege stützen diese Schlussfolgerung: die ersten Messungen von überschüssigem Wasserstoff am Nordpol von Quecksilber mit dem Neutronenspektrometer von MESSENGER, die ersten Messungen des Reflexionsvermögens der polaren Ablagerungen von Quecksilber bei Wellenlängen im nahen Infrarot mit dem Quecksilberlaser-Höhenmesser (MLA) und erste detaillierte Modelle der Oberflächen- und oberflächennahen Temperaturen der Nordpolregionen von Quecksilber, die die tatsächliche Topographie der Quecksilberoberfläche verwenden, die mit der MLA gemessen wurde. Diese Ergebnisse werden in drei Artikeln präsentiert, die heute online in Science Express veröffentlicht wurden.
Permanent beschattete Polarkrater (links). Mosaik von MESSENGER-Bildern der Nordpolregion von Merkur (rechts). Bildnachweis: NASA / Johns Hopkins University Labor für Angewandte Physik / Carnegie Institution of Washington / Nationales Zentrum für Astronomie und Ionosphäre, Arecibo Observatory
In Anbetracht seiner Nähe zur Sonne scheint Merkur ein unwahrscheinlicher Ort zu sein, um Eis zu finden. Aber die Neigung der Mercury-Rotationsachse ist fast null - weniger als ein Grad - so dass es an den Polen des Planeten Taschen gibt, die niemals Sonnenlicht sehen. Wissenschaftler vermuteten vor Jahrzehnten, dass sich Wassereis und andere gefrorene flüchtige Stoffe an Mercurys Polen festsetzen könnten.
Die Idee erhielt 1991 einen Schub, als das Arecibo-Radioteleskop in Puerto Rico ungewöhnlich radarhelle Flecken an Mercurys Polen entdeckte, Flecken, die Radiowellen so reflektierten, wie man es von Wassereis erwarten würde. Viele dieser Flecken entsprachen der Position großer Einschlagkrater, die in den 1970er Jahren vom Raumschiff Mariner 10 kartiert wurden. Da Mariner jedoch weniger als 50 Prozent des Planeten sah, fehlte den Planetenforschern eine vollständige Abbildung der Pole, um sie mit den Bildern vergleichen zu können.
Die Ankunft von MESSENGER bei Mercury im letzten Jahr hat dies geändert. Bilder vom Mercury Dual Imaging System des Raumschiffs, die 2011 und Anfang dieses Jahres aufgenommen wurden, bestätigten, dass sich radarhelle Merkmale am Nord- und Südpol von Mercury in schattierten Regionen auf der Oberfläche von Mercury befinden, was mit der Wasser-Eis-Hypothese übereinstimmt.
Jetzt deuten die neuesten Daten von MESSENGER nachdrücklich darauf hin, dass Wassereis der Hauptbestandteil der nordpolaren Quecksilbervorkommen ist, dass Eis an der Oberfläche in den kältesten dieser Vorkommen exponiert ist, dass das Eis jedoch größtenteils unter einem ungewöhnlich dunklen Material vergraben ist Ablagerungen, Bereiche, in denen die Temperaturen etwas zu warm sind, als dass das Eis an der Oberfläche selbst stabil wäre.
MESSENGER misst mithilfe der Neutronenspektroskopie die durchschnittlichen Wasserstoffkonzentrationen in den radarhellen Regionen von Quecksilber. Die Wassereiskonzentrationen werden aus den Wasserstoffmessungen abgeleitet. "Die Neutronendaten zeigen, dass Merkurs radarhelle polare Ablagerungen im Durchschnitt eine wasserstoffreiche Schicht von mehr als zehn Zentimetern Dicke unter einer 10 bis 20 Zentimeter dicken oberflächlichen Schicht enthalten, die weniger wasserstoffreich ist", schreibt David Lawrence, a MESSENGER Beteiligter Wissenschaftler am Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory und Hauptautor einer der Arbeiten. "Die vergrabene Schicht hat einen Wasserstoffgehalt, der mit nahezu reinem Wassereis übereinstimmt."
Daten des MESSENGER-Quecksilber-Laser-Höhenmessers (MLA), der mehr als 10 Millionen Laserpulse auf Mercury abgefeuert hat, um detaillierte Karten der Planetentopographie zu erstellen, bestätigen die Radarergebnisse und Neutronenspektrometer-Messungen der Polarregion von Mercury, schreibt Gregory Neumann von der NASA Goddard Raumfahrtzentrum. In einem zweiten Artikel berichten Neumann und seine Kollegen, dass die ersten MLA-Messungen der abgeschatteten Nordpolregionen unregelmäßige dunkle und helle Ablagerungen bei Wellenlängen im nahen Infrarot in der Nähe des Nordpols von Quecksilber aufdecken.
„Diese Reflexionsanomalien konzentrieren sich auf polwärts gerichtete Hänge und sind räumlich mit Bereichen mit hoher Radarrückstreuung verbunden, die als Folge von oberflächennahem Wassereis vermutet werden“, schreibt Neumann. "Die Korrelation des beobachteten Reflexionsvermögens mit den modellierten Temperaturen zeigt, dass die optisch hellen Bereiche mit dem Oberflächenwassereis übereinstimmen."
Die MLA zeichnete auch dunkle Flecken mit verringertem Reflexionsvermögen auf, was mit der Theorie übereinstimmt, dass das Eis in diesen Bereichen von einer wärmeisolierenden Schicht bedeckt ist. Neumann vermutet, dass Einschläge von Kometen oder flüchtigen Asteroiden sowohl die dunklen als auch die hellen Ablagerungen verursacht haben könnten. Dies wird in einem dritten Artikel unter der Leitung von David Paige von der University of California, Los Angeles, bestätigt.
Paige und seine Kollegen lieferten die ersten detaillierten Modelle der Oberflächen- und oberflächennahen Temperaturen der Nordpolregionen von Quecksilber, die die tatsächliche Topographie der Oberfläche von Quecksilber verwenden, die mit der MLA gemessen wurde. Die Messungen "zeigen, dass die räumliche Verteilung von Regionen mit hoher Radarrückstreuung gut mit der vorhergesagten Verteilung von thermisch stabilem Wassereis übereinstimmt", schreibt er.
Laut Paige ist das dunkle Material wahrscheinlich eine Mischung aus komplexen organischen Verbindungen, die durch die Einwirkung von Kometen und flüchtigen Asteroiden an Quecksilber abgegeben wurden. Dies sind die gleichen Objekte, die wahrscheinlich Wasser an den innersten Planeten abgegeben haben. Das organische Material wurde möglicherweise durch weiter verdunkelt Exposition gegenüber der harten Strahlung an der Oberfläche des Quecksilbers, auch in permanent beschatteten Bereichen.
Laut Sean Solomon vom Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University, dem leitenden Ermittler der MESSENGER-Mission, ist dieses dunkle Isoliermaterial eine neue Falte in der Geschichte. „Seit mehr als 20 Jahren überlegt die Jury, ob der der Sonne am nächsten gelegene Planet in seinen permanent beschatteten Polarregionen reichlich Wassereis beherbergt. MESSENGER hat jetzt ein einstimmiges Ja-Urteil abgegeben. “
"Aber die neuen Beobachtungen haben auch neue Fragen aufgeworfen", fügt Solomon hinzu. „Bestehen die dunklen Materialien in den polaren Ablagerungen hauptsächlich aus organischen Verbindungen? Welche chemischen Reaktionen hat das Material erlebt? Gibt es Regionen auf oder in Quecksilber, die sowohl flüssiges Wasser als auch organische Verbindungen enthalten können? Nur mit der weiteren Erforschung von Merkur können wir hoffen, bei diesen neuen Fragen Fortschritte zu erzielen. “
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