Met een opvallend grote kern stelt de kleinste planeet van ons zonnestelsel, Mercurius, wetenschappers voor een raadsel. Waarom is die kern vergeleken met de kern van de andere binnenplaneten relatief zo groot? Is dat al zo sinds de vorming van ons zonnestelsel, 4,5 miljard jaar geleden, of is veel later in de geschiedenis van deze planeet een deel van de mantel verdwenen?
Om dit raadsel te ontcijferen is Jurrien Knibbe, promovendus aan de Vrije Universiteit, bezig met aan analyse van het binnenste van de planeet Mercurius. De hoofdvraag van dit door NWO-ALW en NSO gefinancierde onderzoek is of Mercurius aanvankelijk is gevormd uit metaalrijk ‘oermateriaal’ óf dat het buitenste deel van de silicaatrijke mantel ooit is weggeslagen en dat dit die relatief grote kern verklaart. De twee hypotheses impliceren verschillende samenstellingen van de mantel, die Knibbe met moderne technieken in het hogedruklab van de Vrije Universiteit onderzoekt.
De massa van Mercurius vergeleken met de andere planeten is groter dan op basis van de diameter te verwachten is; dit is alleen mogelijk als de kern, het zwaarste deel van een planeet, ook relatief groter is dan bij de andere binnenplaneten.
NASADunne mantel
“De korst en mantel van Mercurius zijn samen ongeveer 400 km dik, slechts een zevende van de aardmantel”, vertelt Knibbe. “Mercurius is een rare planeet omdat je zou verwachten dat tijdens het ontstaan van ons zonnestelsel, toen ook de planeten werden gevormd, alle elementen in ons deel van het zonnestelsel vrijwel homogeen verdeeld waren. Die dunne mantel roept dus de vraag op waarom de kern-mantelverhouding van Mercurius zo sterk afwijkt van de verhoudingen zoals we die zien bij de andere binnenplaneten: aarde, Venus en Mars.”
Weinig ijzer in de korst
Van de korst van Mercurius is bekend dat er opvallend weinig ijzer en titanium aanwezig is en relatief veel aluminium en magnesium. “Vooral die lage ijzerconcentratie is opvallend,” aldus Knibbe, “want dit betekent dat ijzer blijkbaar liever als metaal (Fe) aanwezig is dan gebonden aan ijzer (FeO). Verhoudingsgewijs veel metallisch ijzer in een planeet wijst op een laag zuurstofgehalte tijdens de vorming van die planeet. Dat zou kunnen verklaren waarom de mantel van Mercurius weinig ijzer – in de vorm van ijzersilicaten – bevat, maar dat het ijzer grotendeels als metaal in de kern geconcentreerd is.”
Als er tijdens de vorming van Mercurius wel veel zuurstof beschikbaar geweest was, dan zou dit ook gebonden zijn aan ijzer in ijzersilicaten; deze silicaatmineralen zouden dan zowel in de mantel als in de korst terug te vinden moeten zijn, is de redenering.
Magmaoceaan
Net als de aarde en de maan is Mercurius begonnen als een magmaoceaan waaruit de kern en mantel is uitgekristalliseerd. De kern-mantelverhouding van de binnenplaneten komt neer op de verhouding tussen metalen en silicaten: de relatief zware metalen zakken in de loop van de tijd uit naar de kern en de lichtere mineralen (de silicaten) vormen de mantel.
Twee soorten meteorieten uit de tijd van de vorming van ons zonnestelsel, ofwel chondrieten, zijn mogelijk afkomstig van Mercurius. Deze meteorieten hebben een (voor Mercurius) kenmerkende silicaatsamenstelling: het gehalte geoxideerde ijzer- (FeO) en titaanverbindingen (TiO) is laag en het gehalte aan magnesiumoxide (MgO) is hoog. Deze twee typen meteorieten zijn de CB-chondrieten, met een extreem hoog metaalgehalte (ca. 65%), en de EH-chondrieten, met een relatief hoog silicaatgehalte (ca. 85%).
Mineralen onder hoge druk
Op basis van de samenstelling van beide groepen chondrieten experimenteert Knibbe nu met de mineralen die hij hierin aantreft. Door beide groepen van mineralen onder dezelfde druk en temperatuur te brengen als die op Mercurius hebben geheerst in mantel en kern, en de uitkomsten van dit experiment te vergelijken met nieuwe satellietwaarnemingen, wil hij er achter komen of de uitgangssituatie van Mercurius vooral lijkt op een metaalrijke bulksamenstelling of een samenstelling waarvan de oorspronkelijke metaal/silicaat-verhouding meer lijkt op die van de aarde.
Samples van een paar millimeter grootte worden in zirkonia (het witte kunststof) met grafiet in een octaëder van magnesiumoxide geplaatst, zodat alle druk gelijkmatig naar het midden wordt uitgeoefend. Dit octaëder wordt vervolgens in extreem harde blokjes van het ultraharde metaal wolfram-carbide geplaatst. De maximale druk is 25 gigapascal (GPa) onder 2500 graden Celsius. Dit zijn de omstandigheden op Mercurius op 1700 km diepte (op aarde op een diepte van 700 km).
VU/Jurrien KnibbeRekenmodel
Deze experimenten vormen de basis voor Knibbes rekenmodel dat de samenstelling van de mantel simuleert vanaf de grens tussen kern en mantel naar de korst. Knibbe: “We onderzoeken hoe de mantel vanaf de kern/mantelgrens stapsgewijs naar het oppervlak uitkristalliseert. Dit moet uiteindelijk leiden tot een schatting van de mineraalsamenstelling van het oppervlak van Mercurius op basis van de verschillende chrondrietsamenstellingen. Deze schatting vergelijken we vervolgens met de satellietwaarnemingen om te kunnen bepalen welke ‘evolutietheorie’ het meest waarschijnlijk is. Daarmee wordt ook duidelijk welke chrondriet afkomstig is van Mercurius”.
Knibbe zal gebruik maken van de satellietdata die beschikbaar komen van de instrumenten op de MESSENGER, die nu om Mercurius cirkelt: de X-Ray Spectrometer (XRS) en de MDIS-camera’s.
Dankzij beelden van de MESSENGER-satelliet is bekend geworden dat Mercurius behalve inslagkraters ook kraters heeft die door vulkanisme zijn ontstaan.
NASAMagnetisme verklaard
Het lage zuurstofgehalte tijdens de vorming van Mercurius is overigens niet eenvoudig te verklaren. Heel hypothetisch – en Knibbe zegt het dan ook met de nodige voorzichtigheid – is de theorie dat een laag zuurstofgehalte te verklaren is doordat de lichte zuurstofelementen zouden zijn weggeblazen door de zonnewinden.
Dit is aannemelijk omdat Mercurius zo dichtbij de zon staat, ook al ten tijde van het ontstaan van deze planeet. De atmosfeer van Mercurius is te vergelijken met de exosfeer van de aarde, waar een uitwisseling van elementen met de ruimte plaatsvindt door de kleine zwaartekracht in dat deel van de dampkring.
“Dat de zuurstof grotendeels zou zijn ‘weggeblazen’ klopt echter niet met de aanwezigheid van andere lichte elementen,” zegt Knibbe, “zoals zwavel. Aan de oppervlakte van Mercurius meten we een tien maal hogere zwavelconcentratie dan op aarde, dus we vermoeden dat er zich ook in de planeet veel zwavel bevindt.”
Vloeibare buitenkern dankzij zwavel
De aanwezigheid van zwavel in de planeet zou verrassend goed passen bij een bijzondere eigenschap van Mercurius, namelijk het verhoogde magnetisme. Dit is weliswaar minder sterk dan op aarde (zo’n factor 10), maar voor een kleine planeet zónder vloeibare kern zou dit opvallend hoog zijn. “Daarom denken we nu dat zwavel, dat gebonden aan ijzer (FeS) een veel lager smeltpunt heeft dan andere ijzerverbindingen, zorgt voor een vloeibare buitenkern van Mercurius en dat de beweging van vloeibaar metaal de oorzaak is van het sterke magnetisch veld. Twee andere elementen die dit zouden kunnen veroorzaken, zijn silicium en koolstof.”
Een alternatieve, minder populaire hypothese is dat Mercurius zijn magnetisme dankt aan het ‘geheugen’ van het gesteente, dat zelf een (metalen) magneet is geworden. “Maar huidige metingen van het magnetisch veld maken deze hypothese als enige verklaring vrijwel onmogelijk”, aldus Knibbe.
Mineralen in poedervorm die in een oven in het VU-hogedruklab op 110 graden Celsius worden bewaard, om te voorkomen dat ze vochtig worden. Om ook CO2 te laten uitgassen, worden de mineralen voor gebruik in een nog warmere oven geplaatst. Vervolgens worden ze gemengd in een samenstelling die de hypothese van de metaalrijke magmaoceaan of de tweede hypothese (een metaal/silicaat verhouding zoals de aarde) precies evenaart.
Annemieke van RoekelKleine kans op een impact
Voor beide hypothesen zijn in dit stadium al voor- en tegenargumenten te bedenken. “Een metaalrijke magmaoceaan kan veroorzaakt zijn doordat stofwolken de lichte elementen van de protoplaneet Mercurius hebben weggeblazen. Maar waarom vinden we dan nog zoveel andere lichte elementen, zoals zwavel? Wat pleit voor een impact en een ‘normale’ kern-mantelverhouding is dat de homogene verspreiding van elementen in ons deel van het zonnestelsel aannemelijk is. Maar de kans op een impact waarbij een deel van de mantel wordt weggeblazen, is klein omdat een object wel heel precies langs een planeet moet scheren om dát te laten gebeuren.
Dan is er nog een derde hypothese, volgens Knibbe het minst populair, die uitgaat van de verdamping van de buitenkant van de mantel. “De effecten van een dergelijk fenomeen zien we echter niet terug in recente beelden van gesteenten aan het Mercuriusoppervlak.”