Messenger: bezoek aan de planeet die Einstein gelijk gaf

Het jaar 2008 begon in de ruimtevaart met de Amerikaanse sonde “Messenger” die op 14 januari tot op 200 kilometer van het oppervlak aan de planeet Mercurius voorbijvloog. Voor het eerst in meer dan 30 jaar mocht de planeet die het dichtst bij de Zon staat, zich weer “verheugen” in menselijke belangstelling.

Mercurius is de kleinste planeet van ons zonnestelsel (nu Pluto is gedegradeerd tot mini-planeet), ongeveer halfweg tussen de Aarde en de Zon. De planeet is amper groter dan onze Maan en twee manen in het zonnestelsel (Ganymedes bij Jupiter en Titan bij Saturnus) zijn groter dan Mercurius. Bovendien staat Mercurius zo dicht bij de Zon dat ze moeilijk waarneembaar is, al was ze al bekend in de oudheid.

Toch heeft dit bescheiden lid van ons zonnestelsel een historische rol gespeeld. Mercurius heeft een langgerekte baan (grote eccentriciteit). Het was al van de 19 de eeuw bekend dat de lange as van de baan langzaam om de Zon draaide. Het punt waar Mercurius het dichtst bij de Zon staat verschoof op één eeuw met 43 boogseconden. Er werd gedacht aan een planeet die nog dichter bij de Zon zou staan, als oorzaak van die onbegrijpelijke beweging. De vruchteloze zoektocht naar die planeet, die al Vulcanus werd genoemd, zou duren tot in 1916. In dat jaar publiceerde Albert Einstein zijn Algemene Relativiteitstheorie. Daarmee kon hij de draaiing van de lange as van de baan van Mercurius verklaren en precies voorspellen. Het was de eerste bevestiging van de Algemene Relativiteitstheorie.

Mariner-10

Dan verdween Mercurius weer in de vergetelheid tot in het voorjaar van 1974 de Amerikaanse sonde Mariner-10 de eerste van drie scheervluchten langs Mercurius uitvoerde. De auteur was toen in het vluchtleidingscentrum in Pasadena, Califonië. Niemand wist vooraf wat men mocht verwachten. Einde maart 1974 lagen de foto’s van het Maanoppervlak bij de verzamelde pers nog fris in het geheugen.

Toen dan Mariner-10 de eerste foto van het oppervlak van Mercurius had doorgezonden en de vluchtleiding de foto toonde op de TV-toestellen in de perszaal, was de eerste, korte reactie: “Ze hebben zich vergist! Ze tonen een foto van de Maan!!” Een dor met kraters doorploegd landschap. Maar niemand herkende de patronen die de kraters vormden en de “zeeën”, de donkere vlakten op de Maan, waren niet te vinden. Daarna bleek natuurlijk dat het wel degelijk ging om het oppervlak van Mercurius. Met andere woorden: de planeet ziet er op het eerste gezicht uit als een wat grotere broer van onze Maan. Tenminste toch één helft, want Mariner-10 heeft tijdens zijn drie scheervluchten langs Mercurius iets minder dan de helft van altijd dezelfde zijde in beeld gebracht.
Maar die ene kant bood al verrassingen. Zo toonden de foto’s de enorme inslagkrater Caloris, een ringvormige bekken met een diameter van 1200 km (door Messenger herzien tot 1.550 km), dat is een kwart van de diameter van de planeet en daardoor in zijn soort de grootste in ons zonnestelsel. Op andere foto’s was dan weer een lange steile rotswand te bespeuren, soms tot zowat een kilometer hoog, die aan één kant schuin opliep om aan de andere kant brutaal omlaag te duiken. Typisch op Aarde voor een plek waar een deel van de aardkorst onder een ander stuk aardkorst schuift.
Mariner-10 kon niet bevestigen of er in de eeuwige schaduwplekken op de polen van Mercurius ijs zou liggen. Dat was gesuggereerd na radar-onderzoek met de gigantische radiotelescoop van Arecibo op Puerto Rico. Mariner-10 ontdekte wel totaal onverwacht, een zwak magnetisch veld, amper één duizendste van dat van onze Aarde. En de planeet moet een onverwacht grote vloeibare ijzeren kern hebben (42 % van het volume van de planeet, op Aarde is dat 17 %). Mercurius heeft ook een flinterdunne atmosfeer, hoofdzakelijk helium. Aan de nachtzijde van de planeet zakt het kwik tot minus 183 °C. Op de verlichte kant worden dan weer temperaturen van plus 187 °C gemeten.
Mariner-10 woog 474 kg en vertrok op op 3 november 1973. De sonde maakte eerst een ommetje langs Venus om te testen of het mogelijk was om de gravitatiekracht van Venus te gebruiken om Mercurius te bereiken, daardoor kon aanzienlijk wat brandstof worden bespaard. En dat lukte: op 29 maart 1974 vloog Mariner-10 een eerste keer langs Mercurius. Na twee rondjes om de Zon werd op 21 september 1974 Mercurius voor de tweede keer bezocht en voor de derde keer op 16 maart 1975. In totaal werd 45 % van de planeet in beeld gebracht. Daarna was de brandstof van Mariner-10 op en de batterijen waren leeg. Het radiocontact viel uit op 24 maart 1975. Sindsdien draait de sonde doelloos rond de Zon.

Messenger

Meer dan dertig jaar later vertrok dan op 3 augustus 2004 de Amerikaanse sonde Messenger. “Messenger” of “Boodschapper” verwijst naar de god Mercurius uit de oudheid. De NASA heeft zich wel in bochten gewrongen om in het woord “messenger “ ook de opdrachten van de sonde te verwerken. MESSENGER staat voor MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging (vrij vertaald: sonde voor het onderzoek van het oppervlak, de omgeving, de bodemsamenstelling en voor afstandsmetingen van Mercurius). Het lab voor toegepaste fysica van de Johns Hopkins University in Laurel, Maryland, USA heeft Messenger gebouwd. Het project heeft 446 miljoen dollar gekost.

Al bij al is het een bescheiden sonde geworden. De tijd dat de NASA autobus-grootte ruimtetuigen naar planeten stuurde is voorbij. Messenger is 1,4 meter hoog bij 1,9 meter bij 1,3 meter. Twee zonnepanelen zorgen voor stroom. Van tip tot tip meten ze 6,1 meter. Er zijn zeven instrumenten aan boord plus een computer plus een radio en stuurmotoren. Vanwege de nabijheid van de Zon moet de sonde worden afgeschermd van het felle licht en de intense hitte door een groot zonnescherm dat 2,5 meter bij 2 meter meet. Alles bij elkaar woog Messenger zonder brandstof een halve ton, met de brandstof er bij was het lanceergewicht 1,1 ton, het gewicht van een kleine auto.

Het meest spectaculaire instrument aan boord van de sonde zijn twee camera’s om Mercurius in beeld te brengen. Verder wordt de samenstelling van de bodem in kaart gebracht door gamma-stralen en X-stralen en neutronen afkomstig van de bodem te registreren. Een ander toestel zal het magnetsich veld gedetailleerd opmeten. Nog een ander apparaat brengt de variaties in de zwaartekracht in kaart. Tenslotte wordt de ruimte in de onmiddellijke buurt van de planeet onderzocht.
Na een paar ommetjes rond de Aarde en Venus om de gewenste snelheid te bereiken, was Messenger dan op 14 januari 2008 toe aan zijn eerste scheervlucht langs Mercurius. Dat gebeurde even na acht uur ’s avonds Belgische Tijd. De sonde naderde de planeet tot op 200 km en had dan een snelheid van meer dan 25.000 km per uur. Camera’s met een bredehoeks lens en een andere met een telelens namen 1.213 foto’s tijdens de 55 uren van de scheervlucht.
De volgende scheervlucht van Messenger langs Mercurius volgt begin oktober 2008, de derde is voor eind 2009. De snelheid van Messenger zal dan voldoende zijn afgeremd om de sonde midden maart 2011 in een baan omheen Mercurius te brengen. Messenger zal dan nog een jaar waarnemingen verrichten.

De wetenschappers hopen tegen die tijd antwoorden te hebben op hun meest prangende vragen: hoe ziet de kant van Mercurius er uit die niet door Mariner-10 is gefotografeerd? Is er water-ijs aan de polen? Is Mercurius aan het verschrompelen omdat de kern afkoelt (dat zou het bestaan van lange, hoge en steile rotswanden kunnen verklaren)? Zijn er dichter bij de Zon planetoïden zoals tussen Mars en Jupiter? Waar komt de ijle atmosfeer van Mercurius vandaan? Hoe komt de planeet aan haar magnetisch veld en waarom is er zo’n grote ijzeren kern? En waarom heeft Mercurius een veel grotere dichtheid in vergelijking met zijn diameter dan de Aarde, Venus, Mars of zelfs de Maan?

Voorlopige resultaten

Op de voorlaatste dag van januari maakte de NASA de eerste resultaten bekend.
Het had Messenger vier dagen gekost om alle 500 megabites gegevens door te sturen. Messenger laat een andere, verrassende en heel verschillende planeet Mercurius zien dan Mariner-10 indertijd. Het zal nog wel even duren vooraleer de planeet alle geheimen heeft prijsgegeven.

De 1213 foto’s vallen natuurlijk het meest op, al is heel het oppervlak van Mercurius nog niet in beeld gebracht. Bij de volgende scheervlucht, begin oktober, volgt de rest.

De enorme inslagkrater Caloris met een diameter van 1.550 km is nu voor het eerst helemaal in beeld gebracht.

Geschat wordt dat Caloris 3,8 tot 3,9 miljard jaar oud is. Een andere krater, binnenin Caloris, heeft de bijname “de spin” gekregen. Er gaan zowat 50 tot 100 kloven of breuklijnen radiaal van de krater uit. De experts zeggen dat ze zoiets nog nooit eerder hebben gezien.

Het bekken van Caloris is ook gevuld met licht gekleurd materiaal, allicht van diep uit het binnenste van Mercurius opgegraven bij de inslag die de krater vormde. Maar op onze Maan is de “vloer” van de kraters donker. Waar het verschil vandaan komt is nog een open vraag.

Messenger heeft een magnetisch veld aangetroffen, dat wel zwakker is dan dat van de Aarde, maar dat er toch heel erg op gelijkt en erg verschilt van wat Mariner-10 had gemeten. De zonnewind wordt er in elk geval sterk door afgebogen. Het oppervlak van Mercurius wordt blijkbaar niet zo erg blootgesteld aan de zonnewind als Mariner-10 deed geloven.

Messenger heeft ook de samensteling van de exosfeer (een ijle atmosfeer waarin de aanwezige atomen haast niet met elkaar in botsing komen) van de planeet onderzocht. Er is natrium, calcium en waterstof gevonden. Bovendien vormt de exosfeer van Mercurius een “staart” die tot 40.000 km van de planeet kan gezien worden.

Het oppervlak van Mercurius kent hoogten en laagten. De radar van Messenger heeft een profiel gemaakt van één smalle strook. Het terrein heeft valleien die 3.000 meter diep zijn en pieken van 4.800 meter (de Mont Blanc op Mercurius!).

Nieuwe vragen

Messenger heeft een volledig nieuw beeld van Mercurius geschetst. En dit is nog maar een voorsmaakje. De experts kijken uit naar de waarnemingen van Messenger die vanaf 2009 in een baan om Mercurius komt. Maar zoals het meestal gaat in de wetenschap: nieuwe ontdekkingen geven aanleiding tot weer nieuwe vragen. En dat is dan werk voor de volgende sonde naar Mercurius: BepiColombo van de ESA. Het contract voor de bouw van die sonde is vier dagen na de eerste scheervlucht van Messenger ondertekend. De lancering is gepland voor 2013 om zes jaar later, in 2019, Mercurius te bereiken.

Alles is relatief

Als de Aarde een bolletje van 1 mm diameter zou zijn, dan is de diameter van de Zon 110 mm. De Aarde zou dan op bijna 12 meter van de Zon staan.
Op dezelfde schaal is Mercurius is dan amper 0,4 mm groot en staat op 4,5 meter van de Zon.

Essentiële data Mercurius

Gemiddelde afstand tot de Zon: 58 miljoen km (Aarde: 150 miljoen km)
Perihelium (punt dichtst bij de Zon): 46 miljoen km
Aphelium (punt verst van de Zon): 70 miljoen km
Eccentriciteit van de baan: 0,206 (Aarde 0,017)
Helling van de baan van Mercurius met de baan van de Aarde: 7°
Diameter: 4878 km
Kern: 3600 km diameter; ijzer; 42% van totaal volume (Aarde: 17%)
Zwaartekracht: 0,38 (Aarde = 1; 100 kg op Aarde weegt op Mercurius 38 kg)
Magnetisch veld = 1/1000 Aarde
Densiteit: 5,43 g/cm³ (Aarde 5,52 g/cm³)
Siderische omlooptijd rond de Zon: bijna 88 dagen
Rotatieperiode om eigen as: bijna 59 dagen (58,646)
Resonantie: 3:2
Mercurius maakt bijgevolg 3 baantjes om de Zon en in dezelfde tijd draait de planeet 2 maal om zijn as: 3 x 58,646 = 175.938; 2 x 88 = 176)

Essentiële data Messenger

Hoog: 1,42 meter
Breedte: 1,85 meter
Diep: 1,27 meter
Zonnescherm: 2,5 meter bij 2 meter
Zonnepanelen van tip tot tip: 6,1 meter
Gewicht zonder brandstof: 507,9 kg
Brandstof: 599,4 kg
Totaal lanceergewicht: 1107 kg

Ontmoetingen van Messenger met Mercurius

Scheervlucht 1: 14 januari 2008 op 200 km om 17h17 UT
Scheervlucht 2: 6 oktober 2008 op 200 km
Scheervlucht 3: 29 september 2009 op 200 km
In baan om Mercurius: 18 maart 2011

Webstek: Messenger Home Page

Tekst: Herman Henderickx (Brussel, 1 februari 2008)