Streifen auf dem Merkur zeigen: Merkur ist kein «toter Planet»

Der Merkur war zwar in seiner Frühzeit geologisch aktiv, heute erscheint seine Oberfläche jedoch nahezu vollständig erstarrt. Deshalb wird er oftmals als toter und trockener Planet wahrgenommen. Eine neue Studie unter der Leitung von Dr. Valentin Bickel vom Center for Space and Habitability der Universität Bern und vom NFS PlanetS gemeinsam mit Forschenden des Astronomischen Observatoriums von Padua (INAF) hat nun eine erste systematische Analyse von sogenannten Hangstreifen, oder «Lineae», durchgeführt. Die Häufigkeit und Verteilung der Lineae geben neue Einblicke in die geologische Aktivität des innersten und kleinsten Planeten unseres Sonnensystems.

Die Forschungsgruppe hat in ihrer Studie zunächst mithilfe von maschinellem Lernen eine systematische Bestandsaufnahme der Lineae auf Merkur erstellt. Mithilfe einer geostatistischen Analyse dieser Bestandsaufnahme konnten die Forschenden zeigen, dass diese hellen, linienförmigen Streifen, die sich an den Hängen des Planeten abzeichnen, vermutlich durch das Ausgasen von flüchtigen Stoffen aus dem Untergrund entstanden sind. Dies weist darauf hin, dass es eine kontinuierliche Freisetzung von flüchtigen Stoffen vom Merkur in den Weltraum gibt – auch heute noch. Die Studie wurde soeben in der Zeitschrift Nature Communications Earth & Environment publiziert.

Bestandsaufnahme der Streifen auf dem Merkur dank maschinellem Lernen

Das Forschungsteam analysierte mithilfe eines Deep Learning-Ansatzes rund 100'000 hochauflösende Bilder der Nasa-Raumsonde MESSENGER, die von 2011 bis 2015 den Planeten Merkur erforschte. Sie kartierten dabei gesamthaft die Verteilung sowie die morphologischen Eigenschaften von rund 400 hellen Streifen auf dem Merkur. «Bisher wurden Lineae auf dem Merkur noch nicht systematisch kartiert und studiert, nur eine kleine Handvoll von Streifen waren bekannt. Wir konnten mit der Bildauswertung den ersten Zensus, also eine systematische Bestandsaufnahme, der Streifen auf dem Merkur erstellen», erklärt Erstautor Valentin Bickel.

Geologische Aktivität auf einem vermeintlich toten Planeten

Die Bestandsaufnahme zeigt, dass die hellen Streifen vor allem auf den sonnenzugewandten Hängen junger Einschlagkrater auftreten, die das vulkanische Material durchdrangen und in das darunter liegende Grundgestein eindrangen, das potenziell flüchtiges Material beinhaltet. Dass sich die Lineae gerade in diesen besonders stark exponierten und vorübergehend warmen Regionen häufen, weist darauf hin, dass die Sonneneinstrahlung eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Linea spielt. «Die flüchtigen Stoffe könnten durch Risse im Gestein der Krater, die durch den vorhergehenden Einschlag entstanden sind, aus tieferen Schichten nach oben gelangen», erklärt Bickel. «Die meisten Streifen scheinen aus hellen Vertiefungen, sogenannten ‘Hollows’, zu entspringen. Diese Hollows entstehen vermutlich ebenfalls durch das Ausgasen von flüchtigen Stoffen und befinden sich meist im flachen Inneren oder entlang den Rändern von grossen Einschlagkratern», so Bickel weiter.

«Mit unserer Analyse konnten wir daher zeigen, dass die Steifen vermutlich durch das Ausgasen von flüchtigen Stoffen wie Schwefel oder anderen leichten Elementen entstehen, die aus dem Inneren des Planeten stammen», so Bickel weiter. Die neue Studie deutet darauf hin, dass der Planet Merkur geologisch aktiver ist als bisher angenommen. «Unsere Erkenntnisse zeigen ein ganz anderes, dynamisches Bild vom vermeintlich toten, trockenen und langweiligen Planeten Merkur», sagt Bickel.

Wichtige Erkenntnisse für zukünftige Missionen zum Merkur

Die Rolle der Lineae als potenzielle Indikatoren für das Ausgasen von flüchtigen Stoffen auf dem Merkur liefert wichtige Einblicke in die geologische Dynamik und die Zusammensetzung des Planeten. Bickel sagt: «Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Merkur nicht nur eine bewegte Vergangenheit hat, sondern auch heute noch Veränderungen unterworfen ist.» Die gewonnenen Resultate sind insbesondere auch für zukünftige Missionen zum Merkur von Bedeutung. «Da die Streifen auf dem Merkur vermutlich durch das Ausgasen von flüchtigen Stoffen entstehen, könnten sie ein vielversprechender Indikator für Merkurs ‘Volatile Budget’ sein, also wieviel flüchtiges Material der Planet kontinuierlich verliert», erklärt Bickel. Die Forschenden hoffen nun, dass sie ihre Vermutung zur Aktivität von Lineae mit neuen Bildern vom Merkur eindeutig belegen können, welche die BepiColombo-Mission der europäischen Weltraumorganisation ESA und der japanischen Weltraumorganisation JAXA liefern sollen.

Die BepiColombo-Mission ist derzeit zum Merkur unterwegs. Die Universität Bern ist an mehreren Instrumenten dieser Mission beteiligt: Am Laser-Altimeter BELA (BepiColombo Laser Altimeter), am Massenspektrometer STROFIO sowie am Plasma-Instrument ENA (Energetic Neutrals Analyzer). BELA wurde unter anderem am Physikalischen Institut der Universität Bern konzipiert und gebaut und wird aus einer Umlaufhöhe von etwa 1'000 km mithilfe von Laserpulsen die Entfernung zur Merkuroberfläche mit einer Genauigkeit von rund 10 cm messen. Auf Basis dieser Daten wird sich ein detailliertes 3D-Modell der Topografie des Merkurs erstellen lassen. Zudem werden bestehende Modelle zur tektonischen Deformation und zur Oberflächenbeschaffenheit des Planeten verfeinert werden, sodass die geologischen Prozesse auf Merkur noch genauer rekonstruiert werden können. STROFIO ist ein Instrument der NASA, wofür die Universität Bern das sogenannte ionenoptische System konzipiert, berechnet und gebaut hat. STROFIO wird die sehr dünne Atmosphäre von Merkur erfassen und die chemische Zusammensetzung analysieren. ENA ist ein bildgebendes Plasmainstrument des Swedish Institute of Space Physics (IRF), zu dem die Universität Bern ebenfalls ionenoptische Bauteile zum gezielten Lenken und Bündeln geladener Teilchen beigesteuert hat. Zudem arbeitet Valentin Bickel eng mit dem Principal Investigator und dem Team des SIMBIO-SYS Instruments am Astronomischen Observatorium von Padua (INAF) zusammen. SIMBIO-SYS ist ein integriertes, bildgebendes Spektrometer, welches ebenfalls mit der BepiColombo-Mission auf dem Weg zum Merkur ist. Es wird unter anderem hochauflösende Bilder und 3D-Bilder der Oberfläche des Merkurs liefern.

Das Forschungsteam plant, die im Rahmen der aktuellen Studie erstellte Bestandsaufnahme gezielt zu nutzen, um mit der BepiColombo-Mission bestimmte Regionen mit Lineae erneut zu fotografieren und zu untersuchen. Ziel ist es, festzustellen, ob und wie viele neue Streifen zwischen den Beobachtungen der Raumsonde MESSENGER und den zukünftigen Aufnahmen von BepiColombo entstanden sind. «Wir möchten mit diesen Untersuchungen die Entstehungsmechanismen und die zeitliche Entwicklung dieser Strukturen besser verstehen und so weitere Hinweise auf die Rolle von flüchtigen Stoffen als Antrieb von geologischer Aktivität auf dem Merkur gewinnen», sagt Bickel abschliessend.