Wegen der schwierigen Bedingungen für erdgebundene Beobachtungen konnte erst die Raumsonde „Mariner 10“ im Jahr 1974 qualitativ gute Aufnahmen von Merkurs Oberfläche machen.
Unten: Ein weiteres Bild, das Mariner 10 im Rahmen ihrer Mission 1974 gemacht hat. Das Gebiet ist etwa 400 mal 400 Kilometer groß und ähnelt sehr der Mondoberfläche. Charakteristisch für Merkur sind ebenfalls weite, kraterreiche Ebenen. Mariner 10 konnte auf rund 2.300 Bildern etwa 45 Prozent der Merkuroberfläche kartieren.
Das Bild oben links ist die erste Aufnahme, welche die Raumsonde Mariner 10 bei ihrem Anflug am 24. März 1974 von Merkur gemacht hat. Schon aus der Entfernung von 5.380.000 Kilometern ist eine deutliche Ähnlichkeit zu der Oberfläche des Erdtrabanten erkennbar. Die Aufnahme zeigt die beleuchtete Seite des Planeten. Um weitere Messungen mit anderen Instrumenten vorzunehmen, wurde die Raumsonde auf ihrer Flugbahn dann hinter den Merkur manövriert.
Dieses Bild machte die Raumsonde MESSENGER während ihres zweiten Flyby-Manövers aus einer Entfernung von 27.000 Kilometern, 90 Minuten vor der größten Annäherung an den Planeten. Besonders auffällig ist der helle Krater Kuiper, der sich etwas unterhalb der Bildmitte befindet. Große Gebiete östlich von Kuiper wurden noch nie zuvor von einer Raumsonde fotografiert. MESSENGER konnte die Merkurkarte von Mariner 10 in idealer Weise ergänzen, wodurch mittlerweile ungefähr 95 Prozent der Merkuroberfläche kartografisch erfasst wurden. Charakteristisch für diese vorher unbekannte Region Merkurs sind helle Strahlen, die sich von der Nordpolarregion des Planeten bis in südlich von Kuiper liegende Gebiete erstrecken. Die Strahlen scheinen von einem relativ jungen Krater auszugehen, der kürzlich von MESSENGER fotografiert wurde. Der junge Strahlenkrater und der auffallende Strahlenkrater südöstlich von Kuiper wurden bereits auf erdgestützten Radarbildern gesichtet.
Diese Zusammenstellung verdeutlicht die Schwierigkeit, den Planeten in seinen „natürlichen“ Farben abzulichten. Oben links ist das Graustufenbild, das etwas weiter oben schon angesprochen wurde. Die anderen drei Aufnahmen sind 3-Farben-Komposite aus den Wellenlängen 480, 560 und 630 Nanometern. Die unterschiedlichen Farbeindrücke entstehen durch verschiedene Einstellungen für Helligkeit und Kontrast in den einzelnen Farbfiltern. Die Farbwahrnehmung ist aber ein subjektiver Eindruck, daher kann man nicht absolut sagen, welches Bild jetzt den natürlichen Farben Merkurs entspricht. Im Allgemeinen besitzt er eine sehr dunkle Oberfläche – sogar noch ein wenig dunkler als die des Mondes. Verantwortlich dafür ist das dunkle Gestein, das seine Oberfläche prägt. Die hohe Anzahl von Kratern verschiedenster Größe deutet darauf hin, dass die Oberfläche durchweg sehr alt ist. Während der letzten vier Milliarden Jahre wurde sie offenbar nur durch wenige starke Einschlagereignisse verändert.
Eines dieser Ereignisse erzeugte das Caloris-Becken, hier in Falschfarben dargestellt. Es misst rund 1.550 Kilometer im Durchmesser und ist damit die größte Einschlagstruktur des Planeten. Es entstand, als vor etwa 3,8 Milliarden Jahren ein sehr massiver Asteroid von 100 Kilometern Durchmesser auf Merkurs nördlicher Hemisphäre einschlug. Die beim Aufprall freigesetzte Energie warf einige konzentrische Ringwälle auf. Außerdem trat Lava aus dem Planeteninneren aus, die das Becken teilweise auffüllte und für das heutige relativ ebene Erscheinungsbild der Struktur verantwortlich ist. Dank der Falschfarbencodierung können auf dem Bild noch weitere geologische Formationen untersucht werden: Die hellen orangefarbenen Flecken in den Randzonen des Caloris-Beckens sind beispielsweise Vulkane, die allerdings schon lange erloschen sind. Die Aufnahme wurde aus 13.000 Kilometern Entfernung unter Verwendung von elf Farbfiltern der Wide Angle Camera an Bord der MESSENGER-Sonde gemacht. Aktuelle Beobachtungen zeigen zudem, dass Prozesse im Inneren des Planeten Teile des Caloris-Beckens offenbar nach oben gedrückt haben, da sie stellenweise höher liegen als der Rand.
Ebenfalls von der Raumsonde MESSENGER stammt diese Falschfarbenaufnahme der vulkanisch geprägten Ebenen auf der nördlichen Hemisphäre des Planeten. Violette Farben codieren tief gelegene Gebiete, beispielsweise die Böden von Einschlagkratern. Rötliche und helle Regionen kennzeichnen eine relativ zum Umfeld erhöhte Lage, wie es etwa bei den Randwällen von Einschlagkratern der Fall ist. Die vulkanischen Aktivitäten dieser ausgedehnten Ebenen auf der Oberfläche Merkurs stehen wahrscheinlich in direktem Zusammenhang mit dem kosmischen Bombardement, das den Planeten während der Frühzeit seiner Entstehung traf. Nachdem die Häufigkeit der kosmischen Treffer geringer geworden war und nur noch vereinzelte mehr oder weniger große Brocken auf den Planeten stürzten, ließ auch die vulkanische Aktivität nach und kam schließlich zum Erliegen. Dennoch können die Relikte einstiger Vulkane und Lavaströme mit den entsprechenden Instrumenten registriert werden. Besonders geeignet dafür sind Höhenmesser wie das Mercury Laser Altimeter (MLA) oder Spektroskope, mit denen die chemische Zusammensetzung der oberflächennahen Gesteinsschichten analysiert wird.
Video-Link: https://youtu.be/4BNWxLmiVlE
Flug über einen Teil der Oberfläche Merkurs. (NASA / MIT)
Der Krater Cunningham liegt in einer dieser Ebenen, die das Caloris-Becken auffüllen. Sein Durchmesser beträgt circa 37 Kilometer und er ist verhältnismäßig jung. Das ungefähre Alter lässt sich anhand der hellen Strahlen abschätzen, die von dem Krater ausgehen. Sie bestehen aus Auswurfmaterial, das durch den Einschlag hochgeschleudert wurde und anschließend wieder zu Boden fiel. Anfangs sind die Strahlen noch recht hell, doch verschiedene Einflüsse – etwa Mikrometeoriten oder der Sonnenwind – lassen sie nach und nach verwittern und dunkler werden. Gut erkennbar ist außerdem der Zentralberg im Kraterzentrum, der durch das Zurückfedern der Gesteinsschichten beim Aufprall entsteht. Die Auflösung der Aufnahme liegt bei 520 Metern pro Pixel, der Abstand zum Planeten betrug 20.300 Kilometer.
Oben: Diese beiden Aufnahmen zeigen typische Kraterlandschaften auf Merkur. Zwei der größeren Krater auf dem linken Bild besitzen fast vollständig erhaltene Ränder, sowie terrassenartige Formationen in ihrem Inneren. Zudem sind sie von relativ dunklen Halos umgeben, für die zwei verschiedene Entstehungsprozesse in Frage kommen können:
1. Bei dem Aufprall der Asteroiden wurde deutlich dunkleres Gestein aus tieferen Bodenschichten an die Oberfläche gebracht.
2. Durch den Einschlag schmolzen die oberen Gesteinsschichten teilweise auf und bildeten nach ihrer Erstarrung die dunkleren Halos – erstarrte irdische Lava ist auch oft sehr dunkel.
Der dunkle Krater unten links auf der linken Aufnahme hat etwa 100 Kilometer Durchmesser, der Krater im oberen rechten Teil der Aufnahme ist ungefähr 70 Kilometer groß.
Das rechte Bild wurde ebenfalls von MESSENGER aufgenommen und umfasst ein Gebiet von ca. 285 mal 285 Kilometern. Es zeigt eine Vielzahl von Kratern mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die blau markierten Krater entstanden durch sich gegenseitig überlappende Einschläge, die es teilweise recht schwierig machen, die Grenzen zwischen den einzelnen Kratern zu unterscheiden. Von den weiß markierten Kratern sind nur die äußeren Randzonen sichtbar. Wahrscheinlich wurden sie kurz nach ihrer Entstehung durch vulkanische Lava wieder aufgefüllt, sodass sich nur noch die Ringwälle über die Kraterebene erheben. Bei dem gelb hervorgehobenen Krater ist außerdem ein Zentralberg erkennbar.
Dieser Krater ist ein Musterbeispiel: Bei einem Durchmesser von 98 Kilometern besitzt er einen sehr ausgeprägten Zentralberg und gut ausgebildete Terrassen in seinem Inneren, was für Merkur-Krater in dieser Größenordnung charakteristisch ist. Die Krater im Vordergrund sind mit rund 25 Kilometern Durchmesser viel kleiner. Dennoch kann man bei genauerer Betrachtung auch bei ihnen terrassenartige Strukturen in ihren Randbereichen ausmachen.
Der Krater Kuiper ist nach dem niederländisch-amerikanischen Astronomen Gerard Kuiper benannt, der in den frühen 70er Jahren Mitglied des Mariner-Forschungsteams war. Mariner 10 fotografierte den Krater und die auffallend hellen Strahlen aus Auswurfmaterial allerdings unter einem anderen Sonneneinfallswinkel. Auf diesem Bild der MESSENGER-Sonde aus einer Höhe von 21.000 Kilometern treten die radial verlaufenden Strahlen noch besser hervor. Kuiper hat einen Durchmesser von 62 Kilometern, doch die Strahlen erstrecken sich teilweise über mehrere hundert Kilometer in alle Richtungen. Strahlenkrater wie Kuiper und andere, ähnliche Krater können problemlos auf Bildern erkannt werden, die aus größerer Entfernung gemacht wurden, beispielsweise beim Anflug auf den Planeten – so wie auf dem obenstehenden Bild vom zweiten Flyby-Manöver der MESSENGER-Sonde.
Besonders interessant ist eine Entdeckung, die von der NASA Ende Oktober 2012 bekanntgegeben wurde: In der Nordpolarregion des Merkur gibt es einige Krater, die offenbar permanent im Schatten liegen, wie Beobachtungsdaten der MESSENGER-Sonde und erdbasierte Radarbilder nahelegen. Mittels Neutronenspektroskopie konnte die Sonde den Wasserstoffgehalt der radarhellen Gebiete in der Nordpolarregion des Planeten messen. Aus den Daten leiteten die Wissenschaftler anschließend Werte für das Vorhandensein von Wassereis ab. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass mancherorts unter einer 10-20 Zentimeter dicken Schicht aus wasserstoffarmem Oberflächenmaterial eine mehrere Zentimeter dicke Schicht aus wasserstoffreichem Material liegen muss. Diese Schicht hat demnach einen Wasserstoffgehalt, der fast mit dem von reinem Wassereis übereinstimmt. Was die Entstehung dieser Schichten betrifft, geht man von folgendem Szenario aus: zunächst schlägt ein Komet oder wasserreicher Asteroid auf der Oberfläche des Merkur auf (Bild 2), wodurch sich die mitgebrachten Substanzen verteilen (Bild 3). Sie lagern sich auch in den Polarregionen ab, wo sie in Krater gelangen, die dank ihrer hohen Wälle und der kaum geneigten Rotationsachse des Planeten teilweise permanent im Schatten liegen (Bild 4). In den wärmeren Gebieten der Krater verdampfen die flüchtigen Substanzen mit der Zeit wieder und hinterlassen im Zusammenspiel mit dem Sonnenwind eine dunkle Schicht auf der Oberfläche, die reich an organischen Verbindungen ist. In den kältesten Gebieten – jene Gebiete des Kraters, die sich permanent im Schatten befinden – verbleibt das Wassereis direkt an der Oberfläche (Bild 5).
Oben: Dies ist die erste nahezu vollständige Karte von Merkur in hoher Auflösung (zumindest eine kleine Version davon). Sie basiert auf Daten von Mariner 10 und MESSENGER und umfasst 97,7 Prozent der Planetenoberfläche. Die Auflösung der Originalversion liegt bei 500 Metern pro Pixel. Die beteiligten Wissenschaftler nahmen zunächst 5.301 Kontrollpunkte, die in mindestens drei verschiedenen Bildern identifiziert werden konnten. Diese wurden zueinander in Bezug gesetzt, wodurch schließlich ein Mosaik entstand, das fast die komplette Oberfläche von Merkur zeigt. Das Netzwerk der Kontrollpunkte wird durch neue, aktuelle Bilder von MESSENGER weiter ergänzt, was die Genauigkeit der Karte nach und nach erhöht.
Oben: Neben ausgedehnten kraterreichen Regionen gibt es auf Merkur auch noch andere Formationen, die eine besondere Erwähnung verdienen: Auf seiner Oberfläche finden sich einige Bruchzonen und Kliffe. Das linke Bild zeigt einen dieser Risse, der von oben links nach unten rechts quer durch einen sehr alten Einschlagkrater verläuft. Aufgrund der Position von MESSENGER zur Zeit der Aufnahme ist die Perspektive etwas verzerrt. Im unteren Bildausschnitt sind es vom linken zum rechten Rand etwa 150 Kilometer. Dieser Riss wurde hier zum ersten Mal fotografiert, da er in jener Region liegt, die von Mariner 10 nicht kartografiert werden konnte. Die Entfernung zur Oberfläche betrug 5.300 Kilometer.
Auch auf dem rechten Bild kann man einen langen, dunklen Bruch erkennen, der teilweise durch einen Krater verläuft. Der Krater hat – bedingt durch den Einschlagwinkel des Objekts – hier aber eine elliptische Form, er misst ungefähr 120 mal 220 Kilometer. Der östliche Teil des Kraters wurde durch den Riss um bis zu einen Kilometer angehoben. Insgesamt hat der sichelförmige Graben eine Länge von rund 600 Kilometern. Man nimmt an, dass diese Bruchzonen entstanden, als der Planet langsam abkühlte und sich dadurch zusammenzog. Die erstarrte Oberfläche platzte an bestimmten Stellen auf und bildet nun die langgezogenen Brüche.
Beobachtungen der MESSENGER-Sonde haben die Forscher auch auf rätselhafte Mulden aufmerksam gemacht, die sich an vielen Orten auf der Merkuroberfläche gebildet haben. Links sieht man ein Beispiel für diese Strukturen innerhalb des Kraters Tyagaraja. Die Merkuroberfläche wurde (Einschläge von Meteoriten ausgenommen) lange Zeit als statisch angesehen, aber die neu entdeckten Mulden sind offenbar jünger als die Krater, in denen sie sich befinden. Dies ist ein Beleg dafür, dass die Oberfläche Merkurs doch dynamischer ist als vermutet. Die Entstehung der sonderbaren Mulden ist jedoch noch unklar, möglicherweise sind Merkurs Nähe zur Sonne und die damit verbundene stärkere Sonnenwindaktivität ein Faktor. Auf dem Mars hat man ähnliche Strukturen gefunden, allerdings nicht in festem Gestein, sondern in Kohlendioxideis. Atmosphärische Prozesse wie Wind oder Regen könnten zwar für die Strukturen auf dem Mars verantwortlich sein, aber nicht auf Merkur.
Was die chemische Zusammensetzung der Merkuroberfläche betrifft, waren die von der MESSENGER-Sonde gesammelten Daten eine Überraschung für die Wissenschaftler. Die Sonde ermittelte die Häufigkeitsverhältnisse von Magnesium zu Silizium, Aluminium zu Silizium und Calcium zu Silizium und die Auswertung der Daten lässt darauf schließen, dass der Anteil von Feldspatreichen Gesteinen bei der Merkuroberfläche geringer ist als bei dem Gestein der Mondoberfläche. Das nebenstehende Diagramm vergleicht bestimmte Häufigkeitsverhältnisse (Aluminium zu Silizium und Magnesium zu Silizium) der Merkuroberfläche mit anderen aussagekräftigen Datensätzen, beispielsweise irdischem Mantelgestein oder Gestein aus den lunaren Hochländern. Mit Hilfe der neuen Daten konnte man verschiedene Theorien über die Entstehung und Entwicklung Merkurs ausschließen.