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Merkurs Entstehung durch grosse Einschläge

Der kleinste Planet in unserem Sonnensystem hat einen grossen Eisenkern. Wie kam es dazu? Nach der gängigen Theorie verlor Merkur bei einer Kollision grosse Teile seines Gesteinsmantels. Alice Chau und ihre Kollegen von der Universität Zürich simulierten verschiedene Szenarien mit einem Supercomputer. Ihr Ergebnis: Die Bildung von Merkur durch grosse Kollisionen ist möglich, aber schwierig.

Film eines “Case-1”-Zusammenstosses: Der Proto-Merkur mit 2.7 M_☿ kollidiert mit einem Körper mit 1.125 M_☿ unter einem Einfallswinkel von b=0.2 und der Geschwindigkeit v=18 km/s. Auf der rechten Seite wird auf das grösste Fragment gezoomt mit 0.99 M_☿ und einem Eisen-Gestein-Verhältnis von and 0.6.

Im Vergleich zu Erde, Venus oder Mars ist Merkur viel metallischer. Er hat einen grossen Eisenkern und nur einen dünnen Gesteinsmantel. Dieser mysteriöse Aufbau verblüfft die Forscher seit Jahrzehnten. «Wir denken, dass sich Merkur vermutlich ähnlich wie die anderen Planeten gebildet hat, er hatte also einen Kern, der ein Drittel der Masse des Planeten ausmachte, verlor dann aber den Grossteil seines Mantels», erklärt Alice Chau, Doktorandin an der Universität Zürich und assoziiertes Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS. Wie es zu diesem Verlust kam, wird jedoch noch diskutiert.

1988 schlugen Willy Benz, der heutige Direktor von PlanetS, und Kollegen vor, dass bei einem riesigen Aufprall – einem sogenannten «Giant Impact» – Material des Mantels weggeschleudert wurde. Sie simulierten einen solchen Prozess mit Computerberechnungen, die 2007 verfeinert wurden. «Allerdings sind die genauen Bedingungen, die zur Bildung des Merkurs bei einem Riesenaufprall führen, noch unbekannt», sagt Chau. Deshalb entschied sie sich gemeinsam mit ihren Kollegen am Institut für Computational Science, diese sogenannte «Giant-Impact»- Hypothese auf der Grundlage von Simulationen mit einem der leistungsfähigsten Supercomputer Europas zu untersuchen. Die nach einem markanten Gipfel in Graubünden benannte Maschine “Piz Daint” befindet sich im Schweizerischen Nationalen Supercomputerzentrum (CSCS) in Lugano.

«Wir haben drei verschiedene Szenarien untersucht», erklärt Chau. Im ersten Fall wird der Proto-Merkur von einem kleineren Körper getroffen, wie in den 2007 von Benz et al. berechneten Simulationen. Im zweiten Fall ist Merkur selbst der Impaktor, also der kleinere Körper, der mit einem grösseren Körper zusammenstösst, der sich nicht mehr im Sonnensystem befindet. Dies bezeichnen die Fachleute als «Hit-and-Run-Szenario”. Im dritten Fall gibt es mehrere Einschläge auf Merkur. «Wir haben festgestellt, dass die Entstehung von Merkur in all diesen Szenarien möglich ist, aber jedes von ihnen erfordert ziemlich spezifische Bedingungen», fasst Chau zusammen.

Mehrere Einschläge wahrscheinlicher

So müssen beispielsweise bei einer einzigen, heftigen Kollision der Aufprallwinkel und die Aufprallgeschwindigkeit genau abgestimmt sein, damit sich die Masse des Merkurs und das Eisen-Gestein-Verhältnis reproduzieren lässt. Daneben ist die Frage, ob die vom NASA-Raumschiff Messenger gesammelten Daten überhaupt mit einem einzigen Aufprall übereinstimmen, noch immer offen. Neue Beobachtungen der europäischen BepiColombo-Mission könnten dieses Problem lösen, sobald die Raumsonde 2025 beim Merkur angekommen sein wird. «Es ist daher möglich und vielleicht sogar wahrscheinlicher, dass Merkur durch mehrere Einschläge gebildet wurde», schreibt das Team in seinem Beitrag, der in der Zeitschrift «Astrophysical Journal» veröffentlicht wurde.

Die Tatsache, dass es schwierig scheint, Merkurs Entstehung nachzuvollziehen, mag enttäuschen, doch sie hat auch etwas Gutes: «Dies steht im Einklang mit der Tatsache, dass wir unter den paar tausend Exoplaneten, die wir bereits kennen, nur sehr wenige beobachtet haben, die eine ähnliche mittlere Dichte wie Merkur haben», sagt Chau: «Wenn wir mehr solche Planeten entdecken, wird es interessant sein zu untersuchen, ob sie gleiche Entstehungsmechanismen haben wie Merkur, und vielleicht werden sie uns helfen, die Herkunft unseres eigenen Merkurs besser zu verstehen.»

Alice Chau, Christian Reinhardt, Ravit Helled, and Joachim Stadel: Forming Mercury by Giant Impacts, The Astrophysical Journal, Volume 865, Number 1
DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aad8b0

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