Stellen Sie sich vor, auf einem Planeten zu leben, auf dem die Sonne aufgeht, sich mit glacialer Langsamkeit über den Himmel bewegt und nicht untergeht, monatelang — und dann geschieht das Ganze noch einmal, bevor Ihr Kalenderjahr vorbei ist. Das ist der Alltag auf Merkur. Ein Sonnentag, gemessen von Sonnenaufgang zum nächsten Sonnenaufgang, dauert 176 Erdtage. Sein Jahr — eine vollständige Umlaufbahn um die Sonne — dauert nur 87,969 Tage. Merkur holt sich selbst ein.
Es ist einfach anzunehmen, dass der der Sonne nächste Planet die einfachsten Eigenschaften haben muss. Er hat keine Monde, keine Ringe und kaum eine Atmosphäre. Aber Merkur ist eines der physikalisch überraschendsten Objekte unseres Sonnensystems: ein Planet mit einem Kern, der ihn auf eine Weise dominiert, wie nichts anderes in unserer Nachbarschaft, ein Magnetfeld, das er eigentlich nicht haben sollte, und eine Umlaufbahn, die einmal jeden Physiker der Erde rätselnd machte, bis Albert Einstein kam.
Es gab nur zwei robotische Besucher in der gesamten Menschheitsgeschichte, mit einem dritten unterwegs. Dorthin zu gelangen ist — nach einem Maßstab — schwieriger als zu einem anderen Planeten zu gelangen. Was diese Missionen fanden, schreibt die Lehrbücher immer wieder um.
Ein Jahr, das Sie zweimal an einem Tag umrunden könnten
Merkurs seltsames Verhältnis zur Zeit kommt von einer 3:2-Spin-Orbit-Resonanz: Der Planet rotiert genau 3 Mal um seine Achse für je 2 Umläufe um die Sonne. Das Ergebnis ist, dass ein Sonnentag — die Zeit zwischen zwei Sonnenaufgängen an derselben Stelle — 176 Erdtage entspricht, doppelt so lange wie Merkurs Orbitalperiode von 87,969 Tagen.
Dies erzeugt auch eines der seltsameren Spektakel des Sonnensystems. Da sich Merkur schneller entlang seiner elliptischen Bahn bewegt, wenn er der Sonne am nächsten ist, überholte seine Umlaufgeschwindigkeit kurzzeitig seine Rotationsgeschwindigkeit. Für einen Beobachter auf Merkurs Äquator bei der richtigen geografischen Länge würde die Sonne aufgehen, verlangsamen, kurzzeitig die Richtung umkehren und dann ihren westlichen Weg fortsetzen — ein Spektakel, das nahe jedem Perihelion-Durchgang auftritt.
Merkurs Achse ist nur 2 Grad zur Ebene seiner Umlaufbahn geneigt — praktisch senkrecht. Es gibt keine Jahreszeiten auf Merkur, überhaupt keine, weil sich kein Pol in irgendeiner Weise bedeutsam zur Sonne hin oder weg neigt.
Der Eisenriese im kleinen Anzug
Für den kleinsten Planeten unseres Sonnensystems — Äquatorradius 2.439,7 km — trägt Merkur einen erschreckend übergroßen Kern. Dieser Kern nimmt etwa 57% von Merkurs Volumen ein. Erdkern nimmt nur 17% ein.
Die Dichtezahlen machen das Bild noch stärker. Merkur ist der zweite dichteste Planet unseres Sonnensystems mit 5.427 g/cm³, nur knapp hinter Erde mit 5.515 g/cm³. Aber die Erde ist viel größer, und Gravitation verdichtet sein eigenes Material. Wenn man den Verdichtungseffekt aus beiden Planeten entfernt, übersteigt Merkurs unkomprimierte Dichte von 5.3 g/cm³ Erde unkomprimierte 4.4 g/cm³. Das Material, aus dem Merkur gebaut ist, ist intrinsisch dichter als das, aus dem die Erde besteht.
Warum Merkur so eisenreich endete, ist eines der bleibenden Geheimnisse des Planeten. Klar ist, dass der Kern zumindest teilweise geschmolzen ist: Erdgestützte Radarmessungen von Merkurs Rotation zeigten eine leichte Wackelbewegung, die nur ein flüssiges Inneres erzeugen kann, und Eisen „Schnee" kristallisiert in der Tiefe kann das sein, was Merkurs Magnetfeld lebendig erhält.
Eine Umlaufbahn, die Wissenschaftler wach hielt
Merkur hat die exzentrischste Umlaufbahn aller Planeten unseres Sonnensystems: Exzentrizität 0,21, mit seiner Entfernung von der Sonne reicht von 46.000.000 km bei nächster Annäherung bis 70.000.000 km in der Ferne. Keine andere Planetenbahn ist so eiförmig.
Diese Exzentrizität prägte eines der längsten ungelösten Probleme der Astronomie. Astronomen bemerkten, dass sich Merkurs Umlaufbahn präzedierte — die Ausrichtung seiner Ellipse verschob sich — mit einer Geschwindigkeit, die Newtonsche Gravitation nicht vollständig erklären konnte, auch nicht wenn man jeden bekannten Planeten Gravitationszug berücksichtigte. Die unerklärte Überschuss war winzig: nur 42.980 Bogensekunden pro Jahrhundert.
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagte genau diese Menge zusätzlicher Präzession voraus, verursacht durch die Krümmung der Raumzeit nahe der Sonne. Die Übereinstimmung war fast perfekt, und Merkurs Umlaufbahn wurde der erste Beobachtungsbeweis, dass allgemeine Relativität richtig war. Diese 42.980-Bogensekundenverschiebung nimmt Merkur etwas über 3 Millionen Jahre, um sich in eine vollständige zusätzliche Umkehrung seiner Umlaufbahn zu sammeln — klein, aber messbar, und es hat Physik verändert.
Heiß genug, um Blei zu schmelzen, kalt genug, um Eis zu halten
Ohne Atmosphäre zur Wärmespeicherung schwankt Merkurs Oberflächentemperatur zwischen extremen, denen nichts anderes im inneren Sonnensystem entspricht. Tagtemperaturen erreichen 430°C (800°F). Nachts fällt dieselbe Oberfläche auf −180°C (−290°F). Der Planet hat keine Möglichkeit, Wärme zu halten, sobald die Sonne untergeht.
Hier ist der kontraintuitive Teil: Merkur ist nicht der heißeste Planet. Trotz der Nähe zur Sonne gehört diese Auszeichnung zu Venus. Die dicke Kohlendioxidatmosphäre von Venus wirkt wie ein Planetendrucktopf, der Wärme so effektiv einspannt, dass seine Oberfläche den ganzen Tag über versengt bleibt. Merkur wird hotter an seinem subsolare Punkt bei Perihelion, aber kann diese Wärme nicht halten.
Merkurs 2-Grad Axialneigung bedeutet, dass die Pole niemals direktes Sonnenlicht erhalten. Temperaturen dort steigen nie über 180 K (−93 °C). Einige Krater in der Nähe der Pole sitzen in permanentem Schatten, von ihren eigenen Rändern vor jeglicher direkter Sonnenexposition abgeschirmt. Merkur könnte Wassereis in diesen Kratern haben — kalt genug und dunkel genug, um es für Milliarden Jahre behalten zu haben.
Ein Magnetfeld, das nicht existieren sollte
Als das erste Raumschiff 1974 an Merkur vorbeiflog, erwarteten Wissenschaftler nicht, ein Magnetfeld zu finden. Merkur dreht sich einmal pro 59 Erdtage — viel zu langsam, besagte die konventionelle Weisheit, um einen Planetendynamo zu versorgen. Sie lagen falsch.
Merkur hat ein signifikantes, anscheinend globales Magnetfeld mit einer Stärke von etwa 1,1% von Erde. Das Feld ist ein magnetischer Dipol, fast entlang von Merkurs Rotationsachse ausgerichtet — ähnlich in Struktur zu Erdfeld, nur viel schwächer. Es ist stark genug, um eine echte Magnetosphäre zu schaffen, allerdings eine kompakte: Merkurs magnetosphärische Kavität ist etwa 20-mal kleiner als die der Erde.
Die Schwäche dieses Feldes hat eine unerwartete Konsequenz. Merkurs Magnetosphäre ist extrem „undicht." Während Messengers zweitem Vorbeiflug an Merkur im Oktober 2008 entdeckte die Sonde intensive magnetische Tornados — Röhren magnetischer Flusses, die vom Sonnenwind verdreht werden — die schnelle, heiße Sonnenwindplasma direkt zur Planetenoberfläche führen. Auf der Erde ist das Magnetfeld stark genug, um dieses Plasma zu den Polen zu reflektieren. Auf Merkur durchschlägt es.
Die Narbe, die den ganzen Planeten erschütterte
Ein Objekt, das auf mindestens 100 km geschätzt wird, traf einmal Merkur mit genug Kraft, um das Caloris-Becken zu hinterlassen, eine kreisförmige Narbe mit 1.550 km Durchmesser — etwa ein Drittel des Durchmessers des Planeten selbst. Es ist eines der größten Impaktbecken unseres Sonnensystems.
Der Name ist absichtlich: „calor" ist Latein für Wärme. Weil Merkurs Spin und Umlaufbahn in dieser 3:2-Resonanz gesperrt sind, hängt die Sonne fast direkt über dem Caloris-Becken jedes zweite Mal, wenn Merkur Perihelion passiert. Das Becken sitzt an einem der zwei heißesten Punkte auf der Planetenoberfläche.
Der Aufprall tat etwas Seltsames auf der anderen Seite des Planeten. Schockwellen der Caloris-Kollision wanderten um und durch Merkur und konvergierten am antipodalen Punkt — der Stelle genau 180° weg. Die konzentrierte Energie verformte das Gelände dort in ein chaotisches Durcheinander von zerstörten Hügeln und Ebenen. Zwei dramatische Landformen, auf gegenüberliegenden Seiten einer kleinen Welt, erzeugt durch ein einzelnes Ereignis vor Milliarden Jahren.
Der schwierigste Planet zu erreichen
Merkur ist relativ nah an der Erde, und doch ist er — nach einem rigorosen Maßstab — der schwierigste Planet unseres Sonnensystems zu erreichen. Merkur hat die höchste Delta-v erforderlich für Reisen von der Erde, mehr als jeder andere Planet, einschließlich der viel weiter entfernten äußeren Planeten. Der Grund ist Geometrie: Ein Raumschiff muss enorme Geschwindigkeit verlieren, um sich nach innen zur Sonne zu fallen, und dann noch mehr verlieren, um nicht gerade an Merkur vorbeizusegeln.
Mariner 10 löste das Problem 1974 teilweise durch Nutzung der Venusgravitation zur Bremsung — das erste Raumschiff überhaupt, um die Gravity-Assist-Technik zu verwenden. Dieser Manöver ist jetzt ein Standardwerkzeug der interplanetaren Navigation, verwendet von Dutzenden von Missionen seitdem. MESSENGER (2011–2015) verfeinerte den Ansatz weiter, flog einmal an der Erde vorbei und zweimal an Venus vorbei, bevor drei Merkur-Vorbeigänge gemacht wurde, jeder einen mehr Geschwindigkeit abblutend. Einmal im Orbit sammelte es fast 100.000 Bilder und erreichte 100% Kartographie von Merkurs Oberfläche bis zum 6. März 2013.
Die nächste Mission ist bereits unterwegs. BepiColombo, ein gemeinsames Projekt der European Space Agency und der Japan Aerospace Exploration Agency, startete im Oktober 2018. Um die Merkurorbit zu erreichen, benötigt es neun Gravity Assists, die das Raumschiff mit jedem Durchgang verlangsamen. Nach einem Schubdüsen-Fehler verzögerte seine Ankunft, wird BepiColombo jetzt erwartet, die Merkurorbit im November 2026 zu erreichen. Wenn es das tut, werden zwei Orbiter den Planeten zusammen untersuchen, kartographieren sein Magnetfeld und Inneres mit Instrumenten, die kein früherer Sonde tragen konnte.