„Regen“ aus Elektronen erzeugt Merkurs Polarlichter

Beim ihrem ersten Vorbeiflug am Merkur fing die Sonde BepiColombo einzigartige Messdaten ein. Sie helfen, die Röntgenlicht-Polarlichter des Planeten zu verstehen.

Die Polarlichter des Merkurs sind nicht wie die der Erde mit dem bloßen Auge sichtbar, sondern strahlen ausschließlich Röntgenlicht aus. In der heutigen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications beschreibt eine Forschergruppe, zu der auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen zählen, wie Sonnenwind-Elektronen auf dem Planeten prasseln und so das hochenergetische Leuchten auslösen. Dafür wertete das Team Daten aus, welche die europäisch-japanische Raumsonde BepiColombo bei ihrem Vorbeiflug am Merkur Anfang Oktober 2021 aufgenommen hatte. Die Auswertungen zeichnen erstmals detailliert nach, wie die Polarlichter des sonnennächsten Planeten entstehen. Zudem legen die Daten nahe, dass trotz unterschiedlichster Bedingungen im Sonnensystem, Polarlichter immer auf denselben Prozess zurückzuführen sind.

Neben der Erde schmücken sich auch andere Planeten im Sonnensystem mit einem auffälligen Leuchten über ihren Polarregionen. Die gewaltigen Polarlichter des Jupiters etwa erstrecken sich über eine Fläche mit einem Durchmesser von mehr als 40.000 Kilometern. [KDB1]Dass am Nord- und Südpol des Merkurs extrem energiereiche Röntgenpolarlichter auftreten können, hatten bereits die amerikanischen Raumsonden Mariner 10 in den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts und MESSENGER in der Zeit von 2011 bis 2015 beobachtet. Wie auf der Erde lösen geladene Teilchen des Sonnenwinds, die im Magnetfeld des Planeten eingefangen werden, das Phänomen aus. Während auf der Erde die Sonnenwind-Teilchen jedoch auf die Atmosphäre treffen und dort Moleküle ionisieren, bietet der Merkur keine solch schützende Hülle. Ihn umgibt nur eine so genannte Exosphäre, eine ausgesprochen dünne Gasschicht. Die Sonnenwindteilchen treffen deshalb direkt auf die Oberfläche des Planeten.

Vorbeiflug mit guter Sicht

„Wie genau die Polarlichter des Merkurs entstehen, war bisher nicht geklärt“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz, Koautor der aktuellen Studie und Mitglied im Team des BepiColombo-Instruments Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE). Die Flugbahnen von Mariner 10 und MESSENGER ließen lediglich einen Blick auf die Nordhalbkugel des Planeten zu. Zudem konnten beide Missionen nicht die Elektronen in der Umgebung des Merkurs untersuchen. Ein vollständiges Bild des Entstehungsprozesses konnte sich so nicht ergeben. Die neuen Messdaten von BepiColombo schaffen nun eine völlig neue Situation.

Im Oktober 2018 startete die Merkursonde BepiColombo ins All und wird 2025 in eine Umlaufbahn um den Merkur einschwenken. Bis zur Ankunft stehen insgesamt sechs Vorbeiflüge am Zielplaneten im Missionsplan; der erste ereignete sich im Oktober 2021. Aus einer Entfernung von etwa 200 Kilometern hatte dabei das Instrument MPPE Gelegenheit, Verteilung und Energien der Teilchen in der Umgebung des Merkur genau zu bestimmen. Das Instrument besteht aus mehreren Sensoren, von denen jeder auf Teilchen einer bestimmten Sorte und Geschwindigkeit spezialisiert ist. Das MPS hat zu Entwicklung und Bau des Massenspektrometers von MPPE beigetragen.

Ein „Regen“ aus Elektronen

Beim Vorbeiflug vor 21 Monaten konnte MPPE erstmals Messungen über der nördlichen Nachtseite sowie erstmals über der Tagseite der Südhalbkugel durchführen und so die Struktur der Magnetosphäre, des Einflussbereichs des planetaren Magnetfeldes, und ihrer Grenze, der Magnetopause, bestimmen. Wie bei der Erde ist die Merkur-Magnetosphäre auf der sonnenabgewandten Seite zu einem langen Schwanz verzerrt; auf der sonnenzugewandten Seite zeigte sie sich stark gestaucht. „Der Sonnenwind muss zum Zeitpunkt der Messungen besonders kräftig gewesen sein“, folgert MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp, ebenfalls Koautor der Studie und Mitglied des MPPE-Teams.

Zudem konnte MPPE den Entstehungsprozess der Merkur-Polarlichter genau nachverfolgen. Aus dem Schwanz der Magnetosphäre kommend bewegen sich hochenergetische Elektronen entlang der Magnetfeldlinien auf den Planeten zu. Dort „regnen“ sie auf ihn hinunter und wechselwirken so an den Polen mit dem Material an seiner Oberfläche. Dabei werden Moleküle ionisiert, die ihrerseits als Folge hochenergetische Röntgenstrahlung abstrahlen.

„Zum ersten Mal konnten wir beobachten, wie Elektronen in der Magnetosphäre des Merkurs beschleunigt und auf die Planetenoberfläche geschleudert werden. Obwohl die Magnetosphäre des Merkurs viel kleiner ist als die der Erde und eine andere Struktur und Dynamik aufweist, haben wir die Bestätigung, dass der Mechanismus, der Polarlichter erzeugt, im gesamten Sonnensystem der gleiche ist“, so Erstautorin Dr. Sae Aizawa vom Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie im französischen Toulouse. Seit Kurzem forscht die Wissenschaftlerin am Institute of Space and Astronautical Science der japanischen Weltraumbehörde JAXA und an der Universität von Pisa in Italien.

In den nächsten Jahren wir BepiColombo noch dreimal dicht am Merkur vorbeifliegen. Die nächste Begegnung ist für September nächsten Jahres geplant.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Markus Fränz
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
E-Mail: Fraenz@mps.mpg.de
Tel.: +49 551 384979-441

Dr. Norbert Krupp
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
E-Mail: Krupp@mps.mpg.de
Tel.: +49 551 384979-154

Originalpublikation:

Sae Aizawa et al.:
Direct evidence of substorm-related impulsive injections of electrons at Mercury,
Nature Communications, 18. Juli 2023
DOI: 10.1038/s41467-023-39565-4

https://www.mps.mpg.de/regen-aus-elektronen-erzeugt-merkurs-polarlichter