De Amerikaanse missie MESSENGER, gelanceerd door NASA, was de eerste sonde die in een baan om de planeet Mercurius terechtkwam. De missie gaf een enorme impuls aan ons begrip van deze uiterste binnenplaneet van het zonnestelsel, dicht bij de zon, extreem in temperatuur, en relatief slecht onderzocht tot dan toe.
De MESSENGER-missie was een project van NASA binnen het kader van het zogenoemde Discovery Program, een reeks relatief kleinschalige, wetenschappelijk gerichte planetenmissies met een vast kostenplafond. De leiding over de missie lag bij het Applied Physics Laboratory (APL) van de Johns Hopkins University in Laurel, Maryland. Deze instelling was verantwoordelijk voor het ontwerp, de bouw, de lancering en de vluchtoperaties van de sonde, evenals voor de verwerking van de binnenkomende gegevens. De wetenschappelijke leiding van de missie was in handen van dr. Sean C. Solomon, destijds directeur van het Department of Terrestrial Magnetism van het Carnegie Institution of Washington. Als Principal Investigator was Solomon verantwoordelijk voor de wetenschappelijke doelstellingen van de missie, de prioritering van de instrumenten, en de uiteindelijke interpretatie van de verzamelde gegevens. Onder zijn leiding werd MESSENGER uitgewerkt tot een van de meest succesvolle en productieve missies van NASA’s Discovery-programma.
Het NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, fungeerde als belangrijk ondersteunend centrum. Daar werden baanberekeningen, kalibraties en aanvullende analyses uitgevoerd. Het NASA-hoofdkantoor in Washington hield toezicht op de algemene voortgang en financiering van het project. Samen vormden deze instanties een hechte samenwerking tussen academische, industriële en overheidsinstellingen, een model dat kenmerkend is voor veel van NASA’s Discovery-missies. Wat betreft de kosten, behoort MESSENGER tot de categorie van middelgrote NASA-missies. Volgens officiële cijfers van NASA bedroeg de totale kostprijs van het project ongeveer 446 miljoen Amerikaanse dollar. Dat bedrag omvatte de volledige levenscyclus van de missie: van de ontwikkeling en bouw van het ruimtevaartuig, tot en met de lancering, vluchtoperaties, dataverwerking en wetenschappelijke analyse gedurende de meer dan tien jaar dat MESSENGER actief was.
Verloop missie
De MESSENGER-sonde werd gelanceerd op 3 augustus 2004 vanaf Cape Canaveral Air Force Station in Florida, met behulp van een Delta II-raket. De lancering verliep zonder problemen, en kort daarna begon MESSENGER aan een ingewikkelde reis door het binnenste zonnestelsel. In tegenstelling tot missies naar de buitenplaneten, waarbij ruimtevaartuigen juist snelheid moeten winnen, moest MESSENGER snelheid verliezen om niet te hard langs Mercurius te schieten. De sonde kon dit niet doen met zijn eigen brandstof alleen, die zou simpelweg niet toereikend zijn geweest om de enorme snelheidsverschillen met Mercurius te compenseren. Daarom werd gebruikgemaakt van een reeks zwaartekrachtmanoeuvres, of gravity assists, langs andere planeten. Deze manoeuvres lieten de sonde als het ware “stuiteren” door het binnenste zonnestelsel en hielpen om energie af te voeren. MESSENGER’s route naar Mercurius was zorgvuldig gepland en duurde bijna 6,5 jaar. Tijdens deze periode maakte de sonde in totaal zes belangrijke flyby’s: één langs de aarde, twee langs Venus en drie langs Mercurius zelf. Elke flyby had een specifiek doel, zowel navigatief als wetenschappelijk.
Na meer dan zes jaar reizen kwam het moment suprême: op 18 maart 2011 voerde MESSENGER een baaninvoeringsmanoeuvre uit die haar in een elliptische baan rond Mercurius bracht. Deze manoeuvre was buitengewoon uitdagend: de sonde moest haar hoofdmotor gedurende ongeveer 15 minuten afvuren om voldoende snelheid te verliezen. De bereikte baan was sterk elliptisch, variërend tussen ongeveer 200 en 15.000 kilometer boven het oppervlak, om te voorkomen dat de sonde te veel hitte zou ontvangen van de zon. Dankzij het speciale keramische hitteschild en de zorgvuldig ontworpen baan bleef MESSENGER’s temperatuurregeling stabiel, ondanks de intense zonnestraling die tien keer sterker was dan bij de aarde. Vanaf dat moment begon de primaire wetenschappelijke missie, gepland voor één Mercuriusjaar (ongeveer 88 aardse dagen, maar in de praktijk een jaar operationele tijd). De instrumenten werden geactiveerd, en al snel stroomden de eerste gegevens binnen. De sonde leverde haarscherpe beelden, spectrale analyses en magnetische metingen die het begrip van Mercurius volledig zouden herschrijven.
Tegen het voorjaar van 2015 naderde het onvermijdelijke einde van de missie. De brandstofreserves, nodig om de baan te corrigeren, raakten uitgeput. Omdat Mercurius geen atmosfeer heeft die voldoende dicht is om een gecontroleerde afdaling mogelijk te maken, besloot het vluchtteam om de missie af te sluiten met een gecontroleerde impact op het oppervlak. Op 30 april 2015 sloeg MESSENGER neer op Mercurius, aan de nachtzijde van de planeet, met een snelheid van ongeveer 3,9 kilometer per seconde (ruim 14.000 km/uur). De inslag liet een nieuwe, kleine krater achter van ongeveer 16 meter in doorsnede, een bescheiden maar symbolisch teken van menselijke verkenning. Nog vlak vóór de impact bleef de sonde gegevens doorsturen, inclusief ultrahoge resolutiebeelden van het oppervlak op slechts tientallen meters afstand. Daarmee eindigde MESSENGER zijn reis precies zoals ze begonnen was: als een technisch wonder dat grenzen verlegde.
Instrumenten aan boord
MESSENGER droeg een uitgebreid wetenschappelijk instrumentarium, ontworpen om meerdere aspecten van Mercurius, geologie, chemische samenstelling, magnetisme, zwaartekracht, exosfeer en omgevingsplasma, te onderzoeken. Volgens de NASA‐site bestond de wetenschappelijke lading uit de volgende instrumenten:
- Mercury Dual Imaging System (MDIS): bestond uit een brede hoek (wide‐angle) en een smalle hoek (narrow‐angle) camera. Hiermee konden hoge resolutie beelden van het oppervlak worden gemaakt en multispectrale beelden voor onderzoek naar kleurverschillen en morfologie.
- Gamma‐Ray Spectrometer (GRS): onderzocht gammastraling die vrijkwam uit het oppervlak door kosmische straling, om de elementaire samenstelling van de korst te bepalen.
- Neutron Spectrometer (NS): mat energie en flux van neutronen die uit de planeetoppervlakte komen en zo bijvoorbeeld konden aangeven waar waterstof, mogelijk waterijs, aanwezig is.
- X‐Ray Spectrometer (XRS): bestudeerde röntgenstraling van het oppervlak geproduceerd door zonnewind‐bombardement, om weer de chemische elementen in de bovenste millimeters van de korst te bepalen.
- Magnetometer (MAG): gemonteerd op een lange boom om magnetische beïnvloeding door de sonde zelf te minimaliseren, meet het magnetisch veld rondom de planeet.
- Mercury Laser Altimeter (MLA): stuurde laserpulsen naar het oppervlak en mat de weerkaatsing om een hoogtekaart van het oppervlak te maken (topografie) en ook om in combinatie met baan‐ en graviteitsmetingen de structuur van de korst te bepalen.
- Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer (MASCS): een spectrometer die met zichtbare en ultraviolet‐licht (en nabij‐infrarood) de reflectie‐ en emissie‐eigenschappen van het oppervlak en de exosfeer onderzocht.
- Energetic Particle and Plasma Spectrometer (EPPS): mat geladen deeltjes en plasma in de omgeving van Mercurius, wat essentieel is voor het begrijpen van de wisselwerking van de zonnewind met de planeet.
- Radio Science Experiment (RS): gebruikte de radiocommunicatie en banenvariaties van de sonde om met hoge precisie de zwaartekracht‐velden van Mercurius te meten (baanvariaties, schommelingen, massa‐distributie).
Dankzij deze combinatie van instrumenten kon MESSENGER een ‘holistisch’ beeld geven van Mercurius: van het oppervlak tot het inwendige, van de magnetosfeer tot de exosfeer.
Belangrijkste ontdekkingen
Dankzij het succes van de missie kwamen tal van verrassende en betekenisvolle resultaten boven water. Hieronder een selectie van de meest invloedrijke ontdekkingen:
- Water‐ijs en vluchtige stoffen in polaire kraters
Een van de grootste verrassingen was dat MESSENGER sterke ondersteuning vond voor het bestaan van aanzienlijke hoeveelheden waterijs (en andere vluchtige componenten) in permanent in de schaduw liggende kraters bij de polen van Mercurius, ondanks de extreme nabijheid tot de zon. Het beeld is dat kraters diep in de polaire regio’s nooit direct zonlicht ontvangen en extreem koud kunnen blijven, zodat ijs langdurig stabiel kan blijven. In combinatie met neutron‐gegevens (NS) en altimetriedata (MLA) werd berekend dat het ijs, indien verspreid over een vergelijkbaar oppervlak als Washington D.C., meer dan 3 km dik zou kunnen zijn. Dit resultaat was belangrijk omdat het laat zien hoe water (en mogelijk organische verbindingen) is aangevoerd en bewaard op een planeet zeer dicht bij de zon, relevant voor de vroegere geschiedenis van vluchtige elementen in het binnenste zonnestelsel. - Unieke geologische landvormen: hollows
MESSENGER ontdekte op het oppervlak van Mercurius zogenaamde “hollows", ondiepe, onregelmatige depressies die vaak helder zijn, binnen kraters of op plains, en waar materiaal lijkt te verdwijnen (mogelijk door verdamping van vluchtige stoffen). Deze landvormen lijken uniek voor Mercurius. De vondst van hollows geeft aan dat ook in relatief recente geologische tijd (in planetair opzicht) oppervlakte‐veranderingen plaatsvinden, misschien door verdamping van vluchtige componenten vanuit het oppervlak onder invloed van zonnewind of impactprocessen. - Groot kerndiameterschap en “gekrompen” planeet
De resultaten wezen erop dat Mercurius een veel grotere kern heeft dan verwacht: de metingen van de zwaartekracht‐ en radiometrische data tonen aan dat de kern ongeveer 85 % van de straal van de planeet inneemt. Ook ontdekte MESSENGER dat de planeet in zijn geschiedenis gekrompen is: enorme klippen (lobate scarps) die het oppervlak verscheuren, duiden op globale krimp tijdens afkoelen. Dit heeft implicaties voor de thermische evolutie van Mercurius, waarbij de binnenkant aanzienlijk is afgekoeld en ingekrompen. - Offset en zwak magnetisch veld
MESSENGER vond dat het globale magnetisch veld van Mercurius sterk is verschoven: de dipool is circa 20 % van de planeetstraal naar het noorden verplaatst. Veren metingen toonden aan dat het magnetische veld uiterst zwak is (ongeveer 1 % van dat van de Aarde) en dat de dynamo‐mechanismen in de kern verschillend zijn van die van de Aarde. Verder kon de zonnewind de magnetosfeer onder extreme omstandigheden tot de oppervlakte drukken. Dit heeft betekenis voor de bescherming van de planeet tegen geladen deeltjes en voor de evolutie van exosferen op planeten in zonnabijheid. - Vulkanisme
Het oppervlak van Mercurius bleek in tegenstelling tot eerdere veronderstellingen niet statisch verlopen, maar er was duidelijke aanwijzing voor vulkanische activiteit die relatief recent (planetair gezien) had plaatsgevonden. Analyse van de flybydata en orbiter beelden toonden aan dat grote delen van het oppervlak bedekt zijn met gladde vlakten die vulkanisch van oorsprong lijken. Een voorbeeld is het enorme inslagbekken Caloris Basin dat werd aangetroffen met binnen‐liggende vlakten en vulkanische kenmerken. - Samenstelling van de korst: veel vluchtige, weinig ijzer
Een andere belangrijke vondst was dat de korst van Mercurius verrassend weinig ijzer bevat, maar relatief hoge waarden van vluchtige elementen zoals zwavel, natrium en chloor toont. Dit is opvallend omdat men lange tijd aannam dat een planeet die zo dicht bij de zon staat (waar hoge temperaturen domineren) de vluchtige elementen juist nauwelijks zou hebben behouden. Dit resultaat pleit voor bijzondere omstandigheden tijdens de vorming van Mercurius en voor een relatief reducerende chemische omgeving. - Topografie, zwaartekracht en massa‐concentraties (mascons)
MESSENGER’s altimeter en baanmetingen maakten detailkaarten van de topografie mogelijk, en de massa‐distributieanalyse toonde aanwijzingen voor massa‐concentraties (“mascons”) in de noordelijke hemisfeer, vergelijkbaar met die op de Maan. Tevens werd aangetoond dat in de noordelijke hemisphere een uitgestrekt vulkanisch vlaktengebied aanwezig is, wat wijst op grootschalige opvulling van kraters door lava.
extreem koud zijn (-173°C) is het op het oppervlak (rood) extreem warm - Foto: NASA/JPL/APL
Een ander beeld van deze kleine planeet
Dankzij MESSENGER hebben wetenschappers een rijker en genuanceerder beeld gekregen van Mercurius dan ooit tevoren. De planeet, die voorheen vooral werd beschouwd als een “gestold” slagveld van inslagen, bleek dynamischer, chemisch verrassend en geologisch actiever dan gedacht. De ontdekking van water‐ijs op de dichtstbijzijnde planeet bij de zon opent vragen over hoe vluchtige stoffen (water, organisch materiaal) in het binnenste zonnestelsel verspreid en bewaard kunnen zijn, wat relevant is voor de vroegste aardse geschiedenis. De bijzondere magnetische eigenschappen en de kern‐mantelstructuur leveren input voor modellen van planeetvorming en kern‐dynamo’s. De geologische activiteit, vulkanisme, krimping, bijzondere landvormen zoals hollows, wijst op een complex evolutieverhaal. Het feit dat MESSENGER alle zeven wetenschappelijke instrumenten succesvol gebruikte, en dat de missie ruim vier jaar in baan om Mercurius bleef, betekende een doorbraak voor de planeetwetenschap. De data blijven nog jarenlang onderwerp van onderzoek en zullen, in combinatie met toekomstige missies (zoals BepiColombo van ESA/JAXA), helpen om de resterende vragen te beantwoorden: bijvoorbeeld de exacte manier waarop de kern‐dynamo werkt, hoe de vaat van vluchtige stoffen precies is verlopen, en welke rol inslagen en vulkanisme hebben gespeeld in de geologische geschiedenis.
