Merkur (Planet)

Kern und Bewegung

Merkur ist der kleinste und sonnennächste Planet des Sonnensystems. Sein Durchmesser beträgt knapp 4880 km, seine mittlere Entfernung vom Sonnenzentrum 0,403 AE beziehungsweise 60,4 Mio. km. Wegen seiner Sonnennähe bewegt er sich mit durchschnittlich 47,36 km/s am schnellsten und benötigt für einen Umlauf 87,969 Tage. Merkur gehört wegen seiner Größe und chemischen Zusammensetzung zu den erdähnlichen Gesteinsplaneten. Er besitzt keinen Mond.

Die Merkurbahn ist mit einer großen Halbachse von 0,387098 AE (57,909 Mio. km) stark elliptisch; ihre numerische Exzentrizität beträgt 0,2056. Das Perihel, der sonnennächste Bahnpunkt, liegt bei 0,308 AE (46,0 Mio. km), das Aphel, der sonnenfernste Punkt, bei 0,467 AE (69,8 Mio. km). Die Bahn ist um 7,004° gegen die Erdbahnebene geneigt. Damit hat Merkur die stärkste Exzentrizität und die größte Bahnneigung unter den acht Planeten.

Das Perihel dreht sich langsam weiter. Eine vollständige Drehung um 360° dauert rund 225.000 Jahre beziehungsweise etwa 930.000 Umläufe. Die klassische newtonsche Mechanik konnte die beobachtete Periheldrehung nicht vollständig erklären: Gemessen wurden 5,74 Bogensekunden pro Jahr, berechnet wurden 5,32 Bogensekunden. Die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt den zusätzlichen Anteil durch die Verzerrung der Raumzeit in Sonnennähe. Ihr Wert von 43,03″ pro Jahrhundert stimmt gut mit der beobachteten Differenz von 42,96″ überein. Die Formel lautet Δφ = 3π rS,sol / p = 0,1033″ pro Umlauf, mit rS,sol = 2953,25 m und p = a(1−ε²).

Merkur rotiert nicht gebunden im Verhältnis 1:1, sondern in einer 2:3-Resonanz: Während zweier Umläufe dreht er sich genau dreimal um seine Achse. Die siderische Rotationsperiode beträgt 58,646 Tage; zwischen zwei Sonnenaufgängen an einem Ort liegen jedoch 175,938 Tage. Im Perihel ist seine Bahngeschwindigkeit so groß, dass die Sonne am Merkurhimmel zeitweise eine rückläufige Schleifenbewegung ausführt. Die Rotationsachse ist mit 0,034° fast senkrecht zur Bahnebene. Klassische Jahreszeiten durch unterschiedliche Tageslängen gibt es daher nicht; wegen der stark elliptischen Bahn erhält die Oberfläche im Perihel jedoch etwa 2,3-mal mehr Sonnenenergie als im Aphel.

Langfristige Computersimulationen zeigen, dass die Bahn des inneren Sonnensystems nicht völlig stabil ist. In einer Milliarde Jahren oder später könnte Jupiters Anziehungskraft Merkurs Exzentrizität vergrößern. Dann könnte Merkur die Venusbahn kreuzen und in die Sonne stürzen, aus dem Sonnensystem geschleudert werden oder mit Venus oder Erde kollidieren. Die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses vor der Entwicklung der Sonne zum Roten Riesen wird mit rund 1 % angegeben.

Inneres und Oberfläche

Merkur hat keine Atmosphäre im herkömmlichen Sinn. Seine Exosphäre, also die äußerst dünne Austauschzone zum interplanetaren Raum, besitzt einen Druck von etwa 10^−15 bar und eine Gesamtmasse von ungefähr 1000 kg. Ihre geschätzten Volumenanteile sind Sauerstoff (42 %), Natrium (29 %), Wasserstoff (22 %), Helium (6 %) und Kalium (0,5 %). Wasserstoff und Helium stammen wahrscheinlich aus dem Sonnenwind; Sauerstoff, Natrium und Kalium werden vermutlich aus der Oberfläche freigesetzt. Wegen der hohen Temperatur und der geringen Anziehungskraft entweichen die Teilchen durch Photoevaporation schnell ins All. Die fehlende dichte Atmosphäre verursacht extreme Temperaturen: etwa 100 K (−173 °C) als Minimum, 440 K (+167 °C) im Mittel und 700 K (+427 °C) als Maximum. Im Perihel kann die Tagseite rund +427 °C erreichen, im Aphel noch etwa +250 °C.

Der Planet besitzt eine Kruste, einen Silikatmantel und einen ungewöhnlich großen Eisen-Nickel-Kern. Der Durchmesser wird im Artikel teils mit 4878 km, in den Grunddaten mit 4881 km angegeben. Die mittlere Dichte beträgt etwa 5,429 g/cm³. Der Kern soll zu etwa 65 % aus Eisen bestehen und ungefähr 70 % der Planetenmasse ausmachen. Sein Durchmesser wird je nach Forschungsergebnis mit etwa 3600 km oder neuerdings mit etwa 4100 km angegeben. Der Mantel ist wahrscheinlich nur rund 600 km dick und enthält etwa 30 % der Masse; die Kruste ist einige 10 km dick und besteht überwiegend aus Feldspat und Pyroxenmineralen.

Die Oberfläche ist dunkel, rau, porös und stark von Kratern geprägt. Ihre mittlere sphärische Albedo, also der Anteil des zurückgestreuten Sonnenlichts, beträgt 0,06; die geometrische Albedo wird mit 0,142 angegeben. Mariner 10 kartierte etwa 45 % der Oberfläche, Messenger erhöhte die Abdeckung zunächst auf 66 % und später auf rund 95 %. Hinweise auf Plattentektonik fehlen, aber Messenger fand zahlreiche Anzeichen für früheren Vulkanismus.

Krater sind gleichmäßiger verteilt als auf Mond und Mars. Die hohe Kraterdichte weist auf eine sehr alte Oberfläche hin, die sich seit der Entstehung und Verfestigung vor etwa 4,5 bis 4 Milliarden Jahren vergleichsweise wenig verändert hat. Das größte bekannte Oberflächengebilde ist Caloris Planitia, ein etwa 1550 km großes Becken nördlich des Äquators. Es entstand vermutlich vor etwa 3,8 Milliarden Jahren durch den Einschlag eines mehr als 100 km großen Körpers. Der Einschlag erzeugte Ringwälle, seismische Veränderungen und vulkanische Lavafüllungen.

Zu den besonderen Formen gehören das dem Caloris-Becken gegenüberliegende chaotische Gelände sowie Rupes, bis zu mehrere hundert Kilometer lange Steilstufen und Überschiebungen. Sie entstanden wahrscheinlich durch das Schrumpfen des abkühlenden Planeten. Frühere Schätzungen nennen eine Verringerung des Radius um bis zu etwa 2 km beziehungsweise eine Oberflächenkontraktion von 100.000 km²; neuere Messenger-Auswertungen kommen auf etwa 7 km Kontraktion. Weitere Oberflächenformen sind glatte, mareähnliche Tiefebenen, die Planitia genannt werden, Zwischenkraterebenen und jüngere Strahlensysteme.

In dauerhaft beschatteten polnahen Kratern können Temperaturen von etwa −160 °C herrschen. Radaruntersuchungen und Messenger-Daten von November 2012 weisen dort auf Wassereis hin; außerdem wurden einfache organische Moleküle, also Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen, nachgewiesen. Die Reflexionen könnten jedoch auch durch Metallsulfide, Alkalimetalle oder andere Materialien erklärt werden. Als mögliche Herkunft von Wasser und organischer Materie gelten Kometeneinschläge.

Entstehung und physikalische Besonderheiten

Für den hohen Eisengehalt Merkurs gibt es mehrere Hypothesen. Eine nimmt an, dass ein großer Asteroid in der Frühzeit des Sonnensystems den ursprünglichen Mantel und große Teile der Kruste abtrennte. Eine zweite erklärt den Verlust äußerer Schichten durch sehr hohe Temperaturen in der frühen Umgebung der jungen Sonne und durch den Sonnenwind. Eine dritte setzt eine langanhaltende Erosion durch den Sonnenwind voraus. Nach einer vierten Theorie streiften ein oder mehrere zwei- bis viermal massereichere Protoplaneten Merkur und rissen Gestein aus seinem Mantel. Keine dieser Erklärungen wird im Artikel als endgültig gesichert dargestellt.

Die Entwicklung begann wahrscheinlich mit der Zusammenballung von Planetesimalen. In etwa 10 Millionen Jahren entstand im heutigen Merkurorbit ein Protoplanet. Radioaktiver Zerfall und große Einschläge erhitzten ihn stark; durch Differentiation bildeten sich Kern, Mantel und Kruste. Danach folgten vermutlich früher Vulkanismus, die Entstehung der Zwischenkraterebenen und die Schrumpfung des Planeten. Das Ende des schweren Bombardements wird mit der Bildung des Caloris-Beckens verbunden. In einer weiteren Phase entstanden die mareähnlichen Ebenen. Seit etwa 3 Milliarden Jahren prägen vor allem neue Einschlagkrater die Oberfläche.

Trotz seiner langsamen Rotation besitzt Merkur eine Magnetosphäre. Ihr Volumen beträgt etwa 5 % des Erdwertes, ihre mittlere Feldstärke an der Oberfläche etwa 450 Nanotesla und damit ungefähr 1 % der Stärke des Erdmagnetfelds. Das Magnetfeld ist gegenüber der Rotationsachse um rund 7° geneigt und auf der Nordhalbkugel stärker als auf der Südhalbkugel. Die Magnetosphärengrenze liegt zur Sonne hin nur etwa 1000 km über der Oberfläche; Strahlungsgürtel gibt es nicht. Ein teilweise flüssiger Kern wird durch Rotationsschwankungen von 0,03 % nahegelegt. Mögliche Erklärungen sind ein abgeschwächter Dynamo-Effekt in einer flüssigen Schicht oder ein früher, inzwischen erloschener Dynamo.

Erforschung und Beobachtung

Merkur ist von der Erde aus schwer zu beobachten, weil er sich höchstens 28° von der Sonne entfernt. Freiäugig ist er nur kurze Zeit als Lichtpunkt in der Morgen- oder Abenddämmerung sichtbar; seine scheinbare Helligkeit reicht ungefähr von 1 mag bis −1,9 mag. Teleskopische Beobachtungen werden durch die Horizontnähe und die Erdatmosphäre erschwert. Die größte Elongation schwankt wegen der elliptischen Bahn zwischen 18° und 28°. Ein Merkurtransit vor der Sonnenscheibe ist nur zwischen dem 6. und 11. Mai oder zwischen dem 6. und 15. November möglich. Der letzte Transit fand am 11. November 2019 statt, der nächste ist für den 13. November 2032 angegeben.

Merkur ist seit mindestens dem 3. Jahrtausend v. Chr. bekannt. Kepler sagte 1629 den Merkurtransit vom 7. November 1631 voraus; Pierre Gassendi beobachtete ihn. Giovanni Battista Zupi entdeckte 1639 die Phasen des Merkur. Die Abweichung seiner Bahn von der newtonschen Berechnung führte im 19. Jahrhundert zur hypothetischen Annahme des Planeten Vulcanus, bevor Einsteins Relativitätstheorie die Beobachtungen erklärte. Frühe Merkurkarten waren ungenau; das heutige Koordinatensystem misst Längengrade von 0 bis 360° nach Osten beziehungsweise Westen und Breitengrade von 0° bis 90° nach Norden sowie nach Süden.

Raumsonden erreichen Merkur nur schwer, weil sie beim Fall in das Sonnenpotential stark beschleunigt werden und für einen Orbit großen Bremsaufwand benötigen. Die fehlende Atmosphäre verhindert Aerobraking. Mariner 10 nutzte 1974 den Swing-by an der Venus und flog am 29. März, 21. September und 16. März 1975 in Entfernungen von 705 km, etwa 50.000 km und 327 km vorbei. Die Sonde entdeckte unter anderem das Magnetfeld und kartierte 45 % der Oberfläche.

Messenger startete am 3. August 2004 und trat im März 2011 als erste Sonde in einen Merkurorbit ein. Nach Vorbeiflügen an Erde, Venus und Merkur untersuchte sie Oberfläche, Geologie, Kern, Magnetfeld, Exosphäre, Magnetosphäre und Polregionen. Die Mission endete am 30. April 2015 mit dem Aufprall der Sonde.

BepiColombo von ESA und JAXA startete am 20. Oktober 2018. Die Mission besteht aus einem Fernerkundungsorbiter für eine 400 km × 1500 km große polare Bahn und einem Magnetosphärenorbiter für eine 400 km × 12.000 km große polare Bahn. Der Eintritt in den Merkurorbit wird im Artikel je nach Angabe für November beziehungsweise gegen Ende 2026 genannt. Die Sonde soll mindestens ein Jahr lang mit 16 Instrumenten Magnetfeld, Oberfläche, Zusammensetzung, Teilchen und Strahlung untersuchen.

Kulturgeschichtliche Bezüge

In der altägyptischen Astronomie wurde Merkur vor allem mit Seth und Thot verbunden. Die Griechen nannten ihn Apollo am Morgenhimmel und Hermes am Abendhimmel, wussten aber, dass es sich um denselben Himmelskörper handelte. Die Römer benannten ihn nach Mercurius, dem Götterboten und Gott des Handels. Der römische Wochentag dies Mercurii entspricht dem deutschen Mittwoch und lebt unter anderem in französisch mercredi, italienisch mercoledì, spanisch miércoles und rumänisch miercuri fort. In der germanischen Zuordnung wurde der Planet mit Odin beziehungsweise Wotan verbunden. In Astrologie und Alchemie steht Merkur traditionell für Intellekt, Beredsamkeit, Handel und Geschäfte, aber auch für Täuschung; als Planetenmetall galt Quecksilber.