Merkur könnte durch die Kollision zweier Protoplaneten entstanden sein

Raum

Mit Informationen von Agência Fapesp – 08.08.2025

Momentaufnahmen der Kollision, aufgenommen in der Computersimulation. [Bild: Patrick Franco et al. - 10.1038/s41550-025-02582-y]

Wie ist Merkur entstanden?

Die Entstehung des Planeten Merkur ist noch immer ein ungelöstes Problem: Der sonnennächste Planet besitzt einen überproportional großen metallischen Kern, der etwa 70 % seiner Masse ausmacht, und einen relativ kleinen Gesteinsmantel.

Die bislang am weitesten verbreitete Erklärung war, dass Merkur nach einer verheerenden Kollision mit einem großen Himmelskörper einen Großteil seiner Kruste und seines Mantels verloren hat. Dynamische Simulationen zeigen jedoch, dass diese Art von Einschlägen, an denen Körper mit sehr unterschiedlichen Massen beteiligt sind, äußerst selten ist.

Daher schlagen Astronomen eine alternative Erklärung vor, die auf einem Ereignistyp basiert, der im frühen Sonnensystem viel häufiger vorkam: der Kollision zwischen Himmelskörpern ähnlicher Masse.

„Durch Simulationen haben wir gezeigt, dass für die Entstehung des Merkur keine außergewöhnlichen Kollisionen erforderlich sind. Ein streifender Aufprall zwischen zwei Protoplaneten ähnlicher Masse kann seine Zusammensetzung erklären. Aus statistischer und dynamischer Sicht ist dies ein viel plausibleres Szenario“, erklärt Patrick Franco vom National Observatory.

Ein Streifaufprall ist eine Art Kollision zwischen Himmelskörpern, die in einem sehr flachen Winkel (weniger als 20 Grad) zur Oberfläche des getroffenen Objekts stattfindet, wobei einer den anderen fast streift und es sich nicht um einen Frontalzusammenstoß handelt.

„Unsere Arbeit basiert auf der Beobachtung aus früheren Simulationen, dass Kollisionen zwischen sehr ungleichen Körpern äußerst selten sind. Kollisionen zwischen Objekten ähnlicher Masse kommen häufiger vor, und das Ziel der Studie bestand genau darin, zu überprüfen, ob diese Kollisionen einen Planeten mit den auf Merkur beobachteten Eigenschaften hervorbringen können“, fügte der Forscher hinzu.

Zusammenfassung der Simulationsergebnisse für die Konfiguration mit einem angestrebten Kern-Masse-Verhältnis von 0,5. [Bild: Patrick Franco et al. - 10.1038/s41550-025-02582-y]

Geglättete Partikelhydrodynamik

Diese mögliche Kollision hätte sich relativ spät in der Entstehung des Sonnensystems ereignet, als Gesteinskörper ähnlicher Größe in den inneren, sonnennächsten Regionen um Platz konkurrierten. „Es handelte sich um sich entwickelnde Objekte in einer Art Kinderstube planetarer Embryonen, die gravitativ miteinander interagierten, ihre Umlaufbahnen gegenseitig störten und sogar kollidierten, bis nur noch die klar definierten und stabilen Bahnkonfigurationen übrig blieben, die wir heute kennen“, beschreibt Patrick.

Um dieses hypothetische Szenario nachzubilden, verwendeten die Forscher eine rechnergestützte numerische Methode namens „Smoothed Particle Hydrodynamics“, mit der sich Gase, Flüssigkeiten und feste Materialien in Bewegung simulieren lassen, insbesondere in Kontexten, in denen große Verformungen, Kollisionen oder Fragmentierungen auftreten.

Diese Methode, die in der Kosmologie, Astrophysik, Planetendynamik, im Ingenieurwesen und in der Computergrafik weit verbreitet ist, nutzt die Lagrange-Funktion (Joseph Louis Lagrange, 1736–1813) als mathematisches Hilfsmittel. Die Lagrange-Funktion beschreibt die Entwicklung eines Systems, indem sie die individuelle Bewegung jedes einzelnen Punktes oder Teilchens im Raum im Laufe der Zeit betrachtet. Im Gegensatz zum Euler-Formalismus (Leonhard Paul Euler, 1707–1783), der das Geschehen an festen Punkten im Raum beobachtet, folgt die Lagrange-Funktion sozusagen dem „Standpunkt“ des bewegten Teilchens.

Das resultierende Modell kann mit großer Präzision erklären, warum Merkur trotz seines großen metallischen Kerns eine geringe Gesamtmasse hat und warum er nur eine dünne Schicht aus Gesteinsmaterial aufweist.

„Durch detaillierte Simulationen der geglätteten Partikelhydrodynamik konnten wir sowohl die Gesamtmasse Merkurs als auch sein ungewöhnliches Metall-Silikat-Verhältnis genau reproduzieren. Die Fehlerquote des Modells lag bei weniger als fünf Prozent“, sagte Patrick. „Die Kollision hätte bis zu 60 Prozent des ursprünglichen Merkurs Mantels abgetragen, was die erhöhte Metallizität erklären würde.“

Die Raumsonde BepiColombro ist eine gemeinsame europäische und japanische Mission zur Erforschung der Zusammensetzung, Geophysik, Atmosphäre, Magnetosphäre und Geschichte des Merkurs. [Bild: ESA/ATG/JAXA]

Wo ist das Wrack?

Das neue Modell vermeidet zudem eine Einschränkung der bisherigen. „In diesen Szenarien wird das bei der Kollision abgerissene Material vom Planeten selbst wieder eingebaut. Wäre dies der Fall, würde Merkur nicht sein derzeitiges Kern-Mantel-Missverhältnis aufweisen. In unserem Modell könnte jedoch, abhängig von den Anfangsbedingungen, ein Teil des abgerissenen Materials ausgestoßen werden und nie zurückkehren, wodurch das Kern-Mantel-Missverhältnis erhalten bleibt“, argumentiert Patrick.

In diesem Fall stellt sich die Frage, wohin das ausgestoßene Material gelangte. „Falls der Einschlag in engen Umlaufbahnen erfolgte, besteht eine Möglichkeit darin, dass dieses Material von einem anderen Planeten, vielleicht der Venus, aufgenommen wurde. Diese Hypothese muss noch weiter untersucht werden“, so der Forscher.

Laut Patrick kann das vorgeschlagene Modell erweitert werden, um die Entstehung anderer Gesteinsplaneten zu untersuchen und zum Verständnis der Differenzierungs- und Materialverlustprozesse im frühen Sonnensystem beizutragen. Die nächsten Forschungsschritte sollten Vergleiche mit geochemischen Daten von Meteoriten und Proben von Weltraummissionen umfassen, wie beispielsweise der Raumsonde BepiColombo, die ab nächstem Jahr Merkur untersuchen wird .

„Merkur ist noch immer der am wenigsten erforschte Planet in unserem System. Aber das ändert sich. Eine neue Generation von Forschungen und Missionen ist im Gange, und es werden noch viele interessante Dinge ans Licht kommen“, sagte Patrick.

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