Door Sabine Stanley, Ph.D., John Hopkins University

Mercurius is de tweede dichtste planeet van ons zonnestelsel, de tweede na de aarde . Verrassend genoeg heeft kwik ook een wereldwijd magnetisch veld, dat bestaat door een nog vreemder fenomeen dat antivries wordt genoemd.

Mercurius is klein genoeg om een maan te zijn. Jupiters maan Ganymedes en Saturnusmaan Titan zijn beide groter dan Mercurius. In vergelijking met de aarde is heel Mercurius zelfs kleiner dan alleen de ijzeren kern die het centrum van de aarde vormt. Hoewel Mercurius klein is, is het ongewoon dicht.

Als we de gemiddelde dichtheid van Mercurius berekenen door zijn massa te nemen en te delen door zijn volume, komen we uit op een dichtheid van ongeveer 5430 kilogram per kubieke meter. Elke dichtheid in dat honkbalveld suggereert een planeet die voornamelijk uit rotsen en ijzer bestaat.

Als je dezelfde berekening voor de aarde doet, krijg je een gemiddelde dichtheid van ongeveer 5500 kilogram per kubieke meter. IJzer is dichter dan rotsen, dus je zou in de verleiding kunnen komen om te concluderen dat de aarde een iets grotere fractie ijzer heeft in vergelijking met kwik.

Maar wacht even, hier komt het lastige deel om de hoek kijken. Zie je, omdat de aarde 18 keer zo zwaar is, is de druk in het binnenste hoger, en deze hogere drukken zorgen ervoor dat de binnenste delen van de aarde samendrukken , die effectief minder volume innemen dan dezelfde materialen op een kleinere planeet.

Kortom, dichtheid wordt niet alleen bepaald door waar een materiaal van is gemaakt, maar ook door de druk die het ervaart.

Dus ook al heeft de aarde een iets hogere dichtheid dan Mercurius, als we al het materiaal in de aarde zouden nemen en het decomprimeren, zou de niet-gecomprimeerde dichtheid van de aarde 4200 kilogram per kubieke meter bedragen. Voor Mercury heeft het decomprimeren van een veel kleinere inwendige druk niet zo’n groot effect. De niet-gecomprimeerde dichtheid van Mercurius zou slechts iets lager zijn, ongeveer 5400 kilogram per kubieke meter.

Het feit dat Mercurius een niet-gecomprimeerde dichtheid heeft die veel groter is dan de aarde, vertelt ons dat Mercurius een veel grotere fractie ijzer in zijn binnenste heeft. In feite heeft Mercurius de grootste fractie ijzer van elke planeet in ons zonnestelsel. De straal van de ijzeren kern van Mercurius is ongeveer 1800 kilometer, dat is bijna 75% van de straal van de planeet. In volume betekent dit dat Mercurius meer dan 50% ijzerkern is, terwijl de aarde slechts 17% kern is.

Hoe kwam Mercurius dan met zo’n grote kern? Of met andere woorden, wat gebeurde er vroeg in de geschiedenis van het zonnestelsel om te resulteren in een planeet met zo’n grote ijzeren kern? De leidende theorie is dat Mercurius vroeger veel groter was, met een dikkere rotsachtige mantel rond de ijzeren kern. Als dat zo is, dan moet er miljarden jaren geleden, vroeg in de geschiedenis van Mercurius, iets zijn gebeurd om de buitenste mantellaag te verwijderen en de ijzerrijke planeet te verlaten die we vandaag zien.

Dit zou kunnen worden bereikt door een gigantische inslag die de planeet een vluchtige slag gaf. Een botslichaam dat net voorbij glijdt, samen met enkele buitenste lagen van Mercurius, kan uit het systeem zijn ontsnapt of in de zon zijn neergestort. Dit zou betekenen dat Mercurius echt het overblijfsel van de ijzeren kern is van een veel grotere planeet.

Dergelijke verklaringen zijn soms ongemakkelijk voor wetenschappers omdat het lijkt om echt speciale, zeldzame omstandigheden te suggereren voor de vorming van Mercurius. Als Mercurius maar een klein stukje naar links was geweest, zou het niet door dat object zijn geraakt en zouden we de planeet die we vandaag hebben niet zien. Dat maakt het een onwaarschijnlijke gebeurtenis. Hoewel het waar is dat grote inslagen onwaarschijnlijk zijn, weten we dat ze plaatsvonden in het vroege zonnestelsel, aangezien we er bewijs voor hebben in de grote inslagkraters overal in het zonnestelsel.

Zelfs het feit dat de aarde heeft een grote maan wordt verondersteld een gigantische inslag te hebben gehad. Dergelijke botsingen aan het begin van de geschiedenis van ons zonnestelsel waren niet zo zeldzaam of bijzonder als ze lijken vanuit het perspectief van het huidige zonnestelsel.

Dit is een transcriptie uit de videoserie A Field Guide to the Planets. Bekijk het nu op The Great Courses Plus.

Heeft Mercurius een magnetisch veld?

De grote metalen kern van Mercurius herbergt ook een andere verrassende ontdekking. Halverwege de jaren zeventig ontdekte het eerste ruimtevaartuig dat Mercurius bezocht, Mariner 10, dat Mercurius een magnetisch veld op wereldschaal heeft. Vóór de Mariner 10-missie dachten wetenschappers niet dat Mercurius de juiste ingrediënten had voor dynamo-actie om een magnetisch veld te produceren.

Welke ingrediënten heeft een dynamo nodig?Bedenk hoe het trappen van een fiets een fietslicht kan aandrijven. Dynamo-actie vindt plaats wanneer materialen die goede elektrische geleiders zijn, krachtig kunnen bewegen op een zodanige manier dat elektromagnetische energie wordt opgewekt uit de kinetische energie van de bewegingen. Dit is hetzelfde proces dat aan het werk is in een generator. In principe kunnen elektrische stromen worden gegenereerd in bewegende elektrische geleiders. En deze stromen kunnen magnetische velden genereren.

Op een aardse planeet als Mercurius is de metalen ijzeren kern een goede kandidaat voor een elektrisch geleidend gebied. Maar om de krachtige bewegingen te hebben die nodig zijn om magnetische velden te genereren door middel van dynamo-actie, moet de ijzeren kern vloeibaar zijn.

Al vroeg dachten wetenschappers niet dat de kern van Mercurius vloeibaar zou zijn. Dit komt omdat Mercurius een kleine planeet is en kleine planeten sneller afkoelen dan grote planeten vanwege hun grotere oppervlakte / volume-verhouding. Thermische modellen voor Mercury toonden aan dat de temperaturen in het interieur onder het vriespunt van ijzer zouden liggen, dat is ongeveer 2800 Fahrenheit. Dus de kern van Mercurius zou solide zijn.

Maar dan komen natuurlijk ook de Mariner 10-missie en de recentere MESSENGER-missie in 2011, die beide aantoonden dat Mercurius een wereldwijd magnetisch veld heeft, wat alleen mogelijk is als de kern minstens gedeeltelijk vloeibaar.

Lees meer over hoe de zonnestelselfamilie is georganiseerd.

Hoe kan de kern van Mercurius nog steeds vloeibaar zijn?

Hoe verzoenen we de kleine omvang van Mercurius met het feit dat we weten dat ten minste een deel van de kern van Mercurius vloeibaar is? Het antwoord ligt in het besef dat de ijzeren kern van Mercurius antivries moet hebben.

De vriestemperatuur van het ijzer kan aanzienlijk worden verlaagd door zwavel aan het mengsel toe te voegen. We weten dat de kernen van planeten niet van puur ijzer zijn gemaakt door onze studie van meteorieten. Seismologie heeft ons ook verteld dat de kern van de aarde niet puur ijzer is. Het bevat ongeveer 10% lichtere elementen, zoals zwavel, silicium, zuurstof en andere. Wetenschappers hebben vastgesteld dat slechts een paar procent zwavel in de kern van Mercurius zou kunnen dienen als voldoende antivries om een deel van de kern van Mercurius vloeibaar te houden.

Een ander belangrijk ingrediënt voor een dynamo is dat de vloeistofgeleider krachtige bewegingen moet hebben. Dit kan gebeuren in een planeet als deze snel genoeg afkoelt om warmte door convectie te transporteren. Omdat Mercurius een kleine planeet is met snelle afkoeling, kunnen de turbulente kolkende bewegingen van warmtetransport de elektrische stromen genereren die magnetische velden produceren.

En dit magnetische veld schermt Mercurius gedeeltelijk af tegen zonnestraling en tegen hoogenergetische deeltjes die worden uitgezonden door andere sterren en sterrenstelsels. Dat is beter dan Mars kan bieden.

Dus de volgende keer dat je Mercurius aan de hemel probeert te spotten, of je afvraagt hoe de moeite waard is om Mercurius te verkennen, moet je het volgende in gedachten houden: Mercurius is gemiddeld genomen de planeet die het dichtst bij de aarde staat.

Omdat de baan van Mercurius zo dicht bij de zon ligt, is hij nooit ver van ons verwijderd. Het resultaat is dat Mercurius gemiddeld ongeveer 8,5% dichter bij de aarde staat dan Venus. Dus ja, dit maakt Mercurius gemiddeld tot onze naaste buur.

Wat verrassend is, is hoe extreem het is. De baan van Mercurius rond de zon is minder cirkelvormig – meer elliptisch – dan welke andere planeet dan ook. Het oppervlak heeft de hoogste en koudste temperaturen, en dankzij de kou is er zelfs veel bevroren water, direct naast de zon!

Het is klein genoeg om een maan te zijn, maar het heeft een kern van een grote planeet en zelfs een magnetisch veld van een grote planeet. Het is verbazingwekkend hoeveel deze kleine planeet ons te vertellen heeft.

Lees meer over Venus, de gesluierde broeikasplaneet.

Veelgestelde vragen over Mercurius, de tweede dichtste planeet