Lithium in Merkurs Exosphäre nachgewiesen

Der innerste Planet Merkur hat zwar keine echte Atmosphäre, aber eine extrem dünne Gashülle in Form einer Exosphäre. In dieser haben Planetenforscher nun mithilfe von Daten der Merkur-Raumsonde Messenger erstmals das Element Lithium nachgewiesen. Indiz dafür waren spezielle Wellenmuster in magnetischen Sensordaten. Dieser Nachweis des Lithiums in Merkurs Exosphäre stützt eine seit längerem gehegte Vermutung. Nach dieser sind Lithium, Natrium und andere flüchtige Elemente im Laufe von Milliarden Jahren durch unzählige Einschläge kleiner und kleinster Meteoriten auf den Merkur gelangt und haben sich auf dessen Oberfläche angereichert. Prallt dann ein etwas größerer Brocken auf den Planeten, verdampft er einen Teil dieser Ablagerungen und schleudert sie bis in die Exosphäre des Merkur. Dieses Szenario klärt sowohl die unerwartet hohen Gehalte an flüchtigen Elementen auf der Merkur-Oberfläche als auch die Präsenz dieser Atome in der Exosphäre, wie das Team berichtet.

Der innerste Planet unseres Sonnensystems gibt einige Rätsel auf und ist deutlich weniger gut erforscht als andere Nachbarplaneten der Erde. Mit Mariner und Messenger haben erst zwei Raumsonden den Merkur besucht und Daten aus seinem Orbit geliefert, eine dritte Mission, BepiColombo, ist unterwegs. Bekannt ist jedoch, dass der Merkur keine echte Atmosphäre besitzt, sondern nur eine sehr dünne, weit nach außen reichende Exosphäre. Atome in dieser dünnen Hülle können der Anziehungskraft des Planeten relativ leicht wieder entfliehen, werden aber durch verschiedene Prozesse immer wieder ergänzt. „Die Exosphäre besteht aus verschiedenen Teilchen, die aus dem Sonnenwind, (Mikro)Meteoroidenschlägen und Interaktionen mit der Planetenoberfläche stammen“, erklären Daniel Schmid vom Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und seine Kollegen. „Anders als auf der Erde, wo Meteoroide in der Atmosphäre verglühen, erreichen sie auf Merkur die Oberfläche ungebremst und reichern die Exosphäre kontinuierlich an.“

Wellenwirbel als Elementanzeiger

Aus Daten der Sonden Mariner und Messenger war bereits bekannt, dass die Merkur-Exosphäre Gase wie Wasserstoff und Helium, aber auch andere Elemente wie Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Eisen und Mangan enthält. Schon länger vermuteten Planetenforscher jedoch, dass auch Lithium in der Exosphäre präsent sein müsste. Belege dafür fehlten jedoch bisher. „Weder Teilchendetektoren an Bord der Raumsonden noch Teleskopbeobachtungen von der Erde aus konnten die Präsenz von Lithium nachweisen“, erklären Schmid und sein Team. Sie haben daher mit einem anderen Ansatz nach diesem Element gesucht. Basis dafür waren sogenannte Pick-up-Ionenzyklotronwellen (ICW) – elektromagnetische Wellen, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und neutralen Teilchen in der Exosphäre entstehen. “Über die charakteristischen Schwingungsfrequenzen dieser Wellen können spezifische chemische Elemente – darunter Wasserstoff, Helium und erstmals auch Lithium – bestimmt werden”, erklärt Schmid. „Aus der Stärke dieser Wellen lässt sich die Dichte der entsprechenden Ionen und ihrer Ursprungsteilchen ableiten und damit das Höhenprofil der Exosphäre rekonstruieren.“ Für ihre Studie werteten die Forschenden daher Messdaten der Raumsonde Messenger aus, die diese Pick-up-Ionenzyklotronwellen im Umfeld des Merkur mithilfe seines Magnetfeldsensors gemessen hat.

Tatsächlich identifizierten Schmid und sein Team die für Lithiumatome charakteristischen Ionenzyklotronwellen in den Messenger-Daten. Diese magnetische Elementsignatur war jedoch nicht ständig und in gleichem Maße in der Merkur-Exosphäre präsent, sondern die Wellen häuften sich zu bestimmten Zeiten. „In den vier Jahren der Messenger-Daten identifizierten wir zwölf ICW-Ereignisse im Bereich der lokalen Lithium-Gyrofrequenz“, berichten die Forschenden. „Damit demonstrieren wir die Präsenz von Lithium in Merkurs Exosphäre.“
Ihren Berechnungen zufolge könnte die gesamte Exosphäre des Planeten je nach Zeitpunkt und Region zwischen 2,2 und 6,7 Quadrillionen (10²⁴) Lithiumatome enthalten. Das klingt zwar nach viel, ergibt aber umgerechnet nur eine Masse von 25 bis 77 Gramm Lithium, wie Schmid und seine Kollegen berichten. Die Teilchendichte nimmt zudem mit wachsender Entfernung zur Planetenoberfläche ab, wie die Messenger-Messdaten zeigten.

Woher kommt das Lithium?

Diese Ergebnisse werfen die Frage auf, woher das Lithium in Merkurs dünner Gashülle stammt. Aufgrund des sporadischen Auftretens der Lithium-ICWs und der spezifischen Merkmale der Atome schließen die Forschenden ein durch die Sonnenhitze oder Strahlung induziertes Ausgasen aus der Planetenoberfläche aus. Auch Magnetfeldeffekte wie eine explosive Rekonnexion von Magnetfeldlinien passen nicht zur gemessenen Häufigkeitsverteilung, wie Schmid und seine Kollegen berichten. Nähere Analysen ergaben zudem, dass nur die wenigsten der zwölf gemessenen Ereignisse mit Sonnenstürmen oder solaren Massenauswürfen zusammentrafen. „Daher erscheint eine Verdampfung durch energiereiche Einschläge die wahrscheinlichste Erklärung“, schreibt das Team. Urheber sind demnach Meteoriten mit einem Durchmesser von 20 bis 40 Zentimetern, die beim Aufprall auf der Merkur-Oberfläche verdampfen und dabei Lithium und andere flüchtige Elemente in die Exosphäre freisetzen. Dieses Lithium stammt dabei jedoch nicht nur aus dem jeweiligen Meteoriten: “Unsere Analyse legt nahe, dass die Ablagerung von meteoritischem Material die Hauptquelle des gemessenen Lithiums ist”, erklärt Schmids Kollege Helmut Lammer.

Dieses Material wurde im Laufe von Milliarden Jahren durch Staub und die Einschläge kleinerer und größerer Meteoriten auf der Merkur-Oberfläche deponiert. Dadurch ist diese heute mit Natrium, Lithium und anderen leicht flüchtigen Elementen angereichert. Jeder Aufprall eines weiteren Meteoriten schleudert daher immer auch einen Teil dieser Ablagerungen ins All hinaus. Dieses Szenario könnte auch erklären, warum der Merkur trotz seiner großen Sonnennähe und einer protoplanetaren Kollision in seiner Frühzeit noch so viele flüchtige Elemente in seiner Kruste besitzt: Der größte Teil davon wurde wahrscheinlich nachträglich durch den ständigen Regen von Mikrometeoriten und Meteoriten eingetragen, wie Schmid und seine Kollegen erklären. “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, sagt Schmid. „Das ist nicht nur wissenschaftlich spannend, sondern auch essenziell, um unseren Platz im Universum besser zu verstehen.“

Quelle: Daniel Schmid (Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Graz) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-025-61516-4

Erleben Sie die Faszination der Physik mit dem exklusiven Newton-Pendel Ballance von PHILIPPI. Hypnotische Bewegungen und physikalische Erklärung in einem Designobjekt!

€ 69,99

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar