Fram till relativt nyligen var Merkurius en av de mest dåligt förstådda planeterna i det inre solsystemet. MESSENGER-uppdraget till Merkurius förändrar allt detta. Nya resultat från Mercury Laser Altimeter (MLA) och gravitationsmätningar visar oss att planeten närmast vår sol är tunn och skrynklig, vilket skiljer sig mycket från vad vi ursprungligen trodde.
Rymdfarkosten Mercury Surface, Space Environment, GEochemistry och Ranging (MESSENGER) lanserades redan 2004. Det tog lång tid att komma till sin destination och slutföra 3 förbiflygningar av Merkurius innan det slutligen gick in i omloppsbanan för lite över ett år sedan. För närvarande befinner sig rymdfarkosten i en mycket excentrisk polarbana och närmar sig planeten mycket närmare i norr än i söder. Detta gör att det norra halvklotet kan undersökas och avbildas med avundsvärt höga upplösningar, men lämnar det södra halvklotet dåligt förstådd.
Ändå visar data som returneras från MESSENGER oss några ganska oväntade fynd. Två artiklar från MESSENGER-teamet, publicerade i dagens nummer av Science, visar några överraskande resultat från experimenten med laserhöjdmätare och gravitation.
Med hjälp av NASA:s Deep Space Network har jordbaserad radiospårning av MESSENGER gjort det möjligt att övervaka och registrera små förändringar i rymdfarkostens omloppsbana. Utifrån detta beräknade Dr Maria Zuber från MIT och hennes team en modell av Merkurius gravitation. Samtidigt har laserhöjdmätaren ombord gett ovärderlig topografisk information. Tillsammans har dessa data gjort det möjligt för MESSENGER-teamet att samla in en hel del information om planetens inre funktion.
Ett av de mest slående fynden är att den järnrika kärnan i Merkurius är mycket stor. En kombination av mätningar och modeller tyder på att kärnan har både en solid inre del och en flytande yttre del. Och även om det inte är säkert hur mycket av kärnan som är fast och hur mycket som är flytande, är det tydligt att den totala kärnan har en radie på cirka 2030 km. Detta är en enorm kärna som representerar 83 % av Merkurius radie på 2440 km!
Merkurius inre struktur skiljer sig mycket från jordens. Kärnan är en mycket större del av hela planeten i Merkurius och den har också ett fast järn-svavelhölje. Som ett resultat är manteln och skorpan på Merkurius mycket tunnare än på jorden.
Kredit: Case Western Reserve University
Dessutom tyder dessa beräkningar på att lagret ovanför kärnan är mycket tätare än vad som tidigare förväntats. Resultat från MESSENGERs röntgenspektrometer indikerar att skorpan, och i förlängningen manteln, är för låg i järn för att förklara denna höga densitet. Dr Zubers team tror att det enda sättet att förklara denna diskrepans är genom närvaron av ett fast järn-svavelskikt precis ovanför kärnan. Ett sådant lager kan vara allt från 20 till 200 km tjockt, vilket bara lämnar en mycket tunn skorpa och mantel på toppen. Denna typ av inre struktur är helt annorlunda än vad som ursprungligen föreslogs för Merkurius, och det är ingenting som vi har sett på de andra planeterna!
Detta slående faktum kan hjälpa till att förklara några oväntade höjdmätareresultat, som visar att Merkurius topografi har mindre variation än andra planeter. Den totala skillnaden mellan de högsta och lägsta höjderna på Merkurius är bara 9,85 km. Samtidigt har månen en total skillnad på 19,9 km mellan dess högsta och lägsta punkt, och på Mars är skillnaden 30 km. Dr Zuber och hennes team spekulerar i att närvaron av kärnan så nära ytan kan hålla manteln varm, vilket gör att topografiska egenskaper kan slappna av. I ett sådant scenario skulle litosfären under höga slagformade berg sjunka ner i en grötig mantel som inte kan bära deras vikt. Omvänt skulle den tunna litosfären under stötbassängerna studsa uppåt och ta med sig en del av den mobila manteln.
Faktum är att gravitationsdata visar bevis på exakt denna typ av process, i form av 'mascons'. Dessa masskoncentrationer bildas när stora påverkningar gör den lokala skorpan mycket tunn, vilket gör att tätare mantelmaterial kan stiga närmare ytan när litosfären återhämtar sig från kollisionen. Mascons är välkända från studier på månen och Mars, och nu har MESSENGERs gravitationsdata avslöjat tre sådana mascons på Merkurius, belägna i Caloris-, Sobkou- och Budh-bassängerna.
Den elliptiska polära omloppsbanan för rymdfarkosten MESSENGER gör att mätningarna vid Merkurius nordpol är mycket bättre än de vid sydpolen, eller till och med vid ekvatorn. Detta är tydligt i den bättre rumsliga upplösningen som kan ses på de höga breddgraderna i denna höjdkarta över norra halvklotet. Större stötstrukturer identifieras av svarta cirklar.
Kredit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington
Intressant nog är masconsna i Sobkou och Budh bassängerna inte direkt uppenbara. De dyker bara upp när effekterna av en regional topografisk topp justeras för. Detta topografiska särdrag är en stor kvasilinjär stigning som sträcker sig över halva omkretsen av Merkurius på mellanbreddgraderna. Uppgången passerar till och med genom den norra delen av Caloris-bassängen (som är tillräckligt stor för att dess mascon inte överväldigas av uppgången). Studier av denna ökning av MESSENGER-teamet tyder på att den är relativt ung, efter att ha bildats väl efter bildandet av bassängerna, efter vulkanisk översvämning av deras inre och yttre, och även efter några av de senare nedslagskratrarna som täcker de översvämmade ytorna.
Dr Zuber och hennes team identifierade också en annan ung topografiskt förhöjd region, Northern Rise, som ligger i låglandet som omger Nordpolen. De spekulerar i att dessa unga höjder representerar en buckling av litosfären, vilket hände när planetens inre svalnade och drog ihop sig. Denna tolkning stöds av förekomsten av flikiga scarps och åsar som kan ses runt planeten, och som representerar förkastning av jordskorpan när den komprimerades.
Så det verkar som om Merkurius är till skillnad från de andra planeterna i solsystemet. Den verkar ha en oproportionerligt stor kärna som är täckt av en tunn hud av mantel och litosfär. Dessutom verkar denna hud ha skrynklats som ett russin när den enorma kärnan av planeten krympte när den svalnade.
Källor
Gravity Field and Internal Structure of Mercury från MESSENGER, Smith et al., Science V336 (6078), 214-217, 13 april 2012, DOI:10.1126/science.1218809
Topografi av det norra halvklotet av Merkurius från MESSENGER Laser Altimetry, Zuber et al., Science V336 (6078), 217-220, 13 april 2012, DOI:10.1126/science.1218805