Der er travlt på den store europæiske rumhavn Kourou i Sydamerika, for natten mellem fredag og lørdag starter en af de store ekspeditioner ud i Solsystemet.
Når Ariane 5-raketten letter fra rampen i Europas rumhavn Kourou med rumsonden BepiColombo, er målet en af de mindst kendte planeter i solsystemet – nemlig den lille Merkur. Det er en planet fyldt med kontraster.
Om dagen kan temperaturen i det kraterdækkede landskab nå op på 420 grader, mens den om natten kan komme helt ned på -180 grader. Men det mest overraskende gemmer sig dybt nede under overfladen.
Mødet med Merkur ligger dog flere år ud i fremtiden. Lige nu er ESA ved at træne til den første del af flyvningen kaldet 'Launch and Early Orbit Phase' (LEOP). Det er de første timer og dage, hvor rumsonden langsomt og forsigtigt tænder for sine instrumenter og afprøver om alt fungerer, som det skal.
Følg opsendelsen live i videoen herunder. Opsendelsen starter Lørdag morgen kl.03.15
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 40 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.
En mand og en rumsonde
Mange undrer sig sikkert over navnet på rumsonden BepiColombo. For at forstå navnet skal vi mere end 40 år tilbage i tiden til de tidlige 1970'ere.
Dengang arbejdede en Italiensk matematiker og ingeniør ved navn Guiseppe Colombo (1920-1984) fra universitetet i Padova med at beregne baner for rumsonder.
Han var utrolig dygtig og derfor både kendt i NASA og ESA, som begge havde stor brug for hans matematiske viden.
\ Læs mere
Han viste, at hvis man brugte en snedig bane, der udnyttede tyngdekraften fra Venus, så var det muligt selv for datidens små raketter at sende en rumsonde til Merkur. Hans beregninger blev udnyttet af Mariner 10, som var den første rumsonde, der nåede frem til Merkur.
Guiseppe blev kaldt 'Bepi' (i Italien er Bepi efter sigende et helt almindeligt kælenavn til drengenavnet Giuseppe), og det europæiske rumagentur, ESA, har valgt at hædre 'Bepi' Colombo ved at opkalde den første europæiske sonde til Merkur efter ham.
Bepi var også central i planlægningen af Europas første rumsonde til en komet – nemlig Giotto til Halleys komet i 1986. Desværre døde han, før den blev opsendt, men navnet Giotto skyldes, at Guiseppe Colombo var klassisk dannet. Giotto er nemlig navnet på en italiensk renæssance-maler, som malede Halleys komet, som han havde set i 1301.
Den hurtige vej til Merkur
Ariane 5 er en stor og stærk raket, og selv om Merkur ikke astronomisk set er så langt borte fra Jorden, så er det en meget stor udfordring at sende en rumsonde til solsystemets inderste planet.
En beregning viser, at det kræver mere energi at sende en sonde til Merkur end til den fjerne Pluto.
Det er lettest at forstå ved at tænke på en Merkurrejse som et langt fald ind mod Solen. Men det er ikke spor let bare at falde ind mod Solen – heldigvis, for ellers ville Jorden for længst være opslugt.
\ Læs mere
Jorden bliver, hvor den er i sin bane, fordi den har en fart på 108.000 kilometer i timen rundt om Solen. For at falde ind mod Solen, skal rumsonden bremses ned – og det kræver brændstof.
Den hurtigste og mest direkte bane er en ellipsebane mellem Jordens bane og Merkurs bane. Men for at komme ind i en sådan bane skal sonden først bremses ned til en fart på omkring 80.000 kilometer i timen herude i Jordens afstand – og det er en ganske pæn nedbremsning på 28.000 kilometer i timen.
Når sonden endelig når frem til Merkur efter en rejse på bare 105 døgn, flyver den 36.000 kilometer i timen hurtigere end Merkur, så det bliver til et kort besøg. Der må findes andre udveje.
Den lange vej til Merkur
ESA har derfor meget fornuftigt valgt at gå i Colombos fodspor og alliere sig med både Jorden, Venus og Merkur. Ariane har derfor slet ikke kurs mod Merkur, men mod en bane, der bringer BepiColombo forbi Jorden i april 2020.
Jordens tyngdekraft ændrer nu ganske gratis banen for rumsonden, så den flyver forbi Venus i oktober 2020 og igen i august 2021. Men så har Bepi Colombo også fået en bane, som bringer den helt ind til Merkurbanen.
Rejsen har nu varet tre år, men den er langt fra forbi, for sonden er stadig ikke i samme bane som Merkur. Seks gange flyver BepiColombo forbi Merkur i perioden 2021-2025, før den endelig kan gå i bane om den lille planet. Her bliver den så indtil 'end of mission' mellem 2027 og 2028.
Tyngdekraften fra Jorden, Venus og Merkur kan dog ikke styre hele rejsen. Der er også brug for en ionmotor, hvilket sparer to ton brændstof i forhold til en kemisk drevet raket. Det er bestemt ikke let at flyve i Solsystemet.
Animation, der viser en meget komplicerede bane, BepiColombo skal følge for at nå frem til Merkur. En forbiflyvning af Jorden, to af Venus og endelig seks forbiflyvninger af Merkur, før sonden er kommet ind i samme bane som Merkur og derfor kan gå i bane om planeten. (Video: ESA)
En verden fuld af ekstremer
Hvad er det så for en verden, BepiColombo møder, når den når frem?
Man kan dårligt forestille sig noget mere livsfjendsk – et fuldstændigt øde landskab dækket af kratere og sletter. Overfladen består af meget mørke klipper og størknet lava, og der er næsten ingen atmosfære.
På grund af den ringe afstand til Solen, er sollyset omkring ti gange stærkere end på Jorden. Det betyder, at det kan blive rigtig varmt om dagen, for døgnet har en længde på hele 176 dage, så Solen vil bage ned mod de glødende klipper i ugevis før den igen går ned.
Til gengæld kan temperaturen om natten synke til et niveau, vi ellers kun kender fra de isdækkede kloder i det ydre solsystem.
Der er derfor en enorm kontrast mellem de steder, hvor Solen skinner, og det dybe mørke, hvor der er skygge eller nat. Derfor kaldes Merkur også ekstremernes planet.
BepiColombo skal gennemføre den hidtil mest grundige udforskning af Merkur. Når den ankommer, vil to mindre sonder blive frigjort for at gå ind i hver sin bane om planeten. ESA har bygget sonden MPO, der står for Mercury Planetary Orbiter, og det japanske rumagentur, JAXA, har bygget sonden Mio.
MPO skal kortlægge overfladen og undersøge, hvilke mineraler den består af. Blandt de mange opgaver skal BepiColombo lede efter is ved polerne og spor efter gammel vulkansk virksomhed. Den Japanske Mio skal især studere Merkurs magnetfelt, og hvordan det påvirkes af solvinden.
Men den virkelige opgave er at forstå, hvordan Merkur er opbygget, for den ligner ikke nogen anden planet i Solsystemet og er måske en meget sjælden type planet i universet.
En planet som ingen anden
Allerede før rumalderen var man klar over, at der var noget meget specielt ved Merkur, og det alene ud fra målinger af massefylden. Merkur har en meget høj massefylde på 5,43 g/cm3, og det er næsten lige så meget som Jorden.
Forskellen er, at Jorden er en stor planet, der har tyngdekraft nok til at presse stof tæt sammen i sit indre. Merkur er en lille planet – endda mindre end Mars. Derfor kan den høje massefylde ikke skyldes, at stoffet i det indre er tæt sammenpresset.
Derfor kan Merkur ikke alene bestå af klippe og sten, som har en massefylde på 2,5 – 3 g/cm3. Der må være noget andet, og den eneste mulighed er en meget stor kerne af Jern og Nikkel.
De bedste modeller for Merkurs opbygning beskriver en planet, der består af 70 procent metal og 30 procent klippe. Til sammenligning rummer Jordens metalholdige kerne kun cirka 33 procent af Jordens masse – resten er klipper.
Det var de første rumsonder, Mariner 10 og Messenger, der næsten direkte kunne se resultatet af, at Merkur har så stor en kerne af metal. De fandt nemlig nogle enorme forkastninger, næsten en kilometer høje skrænter, som snor sig flere hundrede kilometer gennem landskabet.
Man mener i dag, at disse forkastninger skyldes, at den enorme jernkerne med tiden er blevet afkølet og derfor har trukket sig sammen. Derved er overfladearealet blevet mindre, og lige som et gammelt æble bliver rynket, så har Merkur fået sine egne rynker.
Desuden er der kun 400 kilometer fra overfladen og ned til kernen. Klippelaget på Merkur er altså meget tyndt, og derfor også meget følsomt over for, hvad der sker dybere nede.
Samtidig i den anden ende af Solsystemet
Rumsonden New Horizons har vist en helt tilsvarende proces på Plutos store måne Charon. Alt tyder på, at Charon oprindelig havde et indre ocean af vand.
Det frøs gradvist til is, men i modsætning til metal falder massefylden, når vand størkner til is.
Resultatet blev, at da Charons ocean frøs, voksede planeten. Overfladen blev større, med det resultat at den revnede og skabte mindst en enorm kløft. Så både Merkur og Charon bærer i dag spor af, hvad der skete, da deres kerner størknede.
I hver sin ende af solsystemet findes kloder, hvor man tydeligt på overfladen kan se, hvad der findes i det indre, nemlig Merkur og Plutos måne Charon. Når Merkurs metalkerne afkøles, trækker den sig sammen, og der dannes enorme forkastninger på overfladen. Når Charons oprindelige hav af vand i det indre fryser til is, udvider kernen sig, så der dannes enorme spækker og kløfter på overfladen. (Billeder: NASA)
Stadig mange opgaver for BepiColombo
De to tidlige amerikanske rumsonder viste en anden konsekvens af den store kerne af metal: Nemlig at Merkur har et ganske svagt magnetfelt.
Feltet er kun 1 procent så stærkt som Jordens magnetfelt, men på en 'normal' planet burde der slet ikke være noget magnetfelt. Dertil er Merkur for lille og roterer for langsomt.
Målinger fra Messenger tyder på, at der stadig findes flydende metal i kernen, som kan lede elektrisk strøm og dermed skabe et magnetfelt. Men det er et mysterium, at metalkernen i den lille planet ikke for længst er størknet helt. Her er en opgave for BepiColombo.
\ Læs mere
En anden opgave er at studere polområderne nærmere. Her er steder på bunden af kratere, som altid ligger i skygge, og hvor temperaturen derfor ikke kommer over -225 grader. Det svarer næsten til temperaturen på Pluto – Merkur lever fuldt ud op til sit tilnavn 'ekstremernes planet'.
Radarmålinger fra Jorden tyder på, at der er ganske betydelige mængder is i disse kratere – man taler om op til en billion ton. Også det bliver noget, BepiColombo skal se nærmere på.
Endelig skal BepiColombo se nærmere på det, man med et fint ord kalder Merkurs 'exosfære', som er en slags yderst tynd atmosfære – milliarder af gange tyndere end Jordens atmosfære – som består af atomer, der er slået løs fra overfladen af solvinden.
Derfor består exosfæren blandt andet af stoffer som Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium og Silicium.
En storebror til Merkur
Men når alle billederne er taget, og alle målingerne er gennemført, står vi stadig tilbage med mysteriet om at forklare, hvordan en metalplanet som Merkur overhovedet er dannet. Det er solsystemets eneste, så helt let har det åbenbart ikke været.
For at komme svaret lidt nærmere tager vi ud til en stjerne 340 lysår borte. Her har man tidligere i år opdaget en meget usædvanlig planet – en planet, der er større end Jorden, men sandsynligvis er opbygget som Merkur. Den går blandt astronomer under navnet K2-229b.
Planetens radius er 1,2 gange Jordens radius, og dens masse er 2,6 gange Jordens masse. En lille udregning viser, at den må have en massefylde på 1,5 gange Jordens massefylde eller over 8 gram/cm3.
Det er meget højt og kan kun forklares som et resultat af et meget højt metalindhold og en tæt sammenpresning af stoffet i det indre.
Man kan derfor godt kalde K2-229b for en storebror til Merkur, og den har desuden det tilfælles med Merkur, at den er meget tæt på sin stjerne.
Omløbstiden er kun 0,6 døgn, hvilket svarer til en afstand på bare to millioner kilometer til stjernen. K2-29b er den inderste af tre planeter, der alle kredser tættere på deres stjerne, end Merkur er på Solen.
K2-229b er naturligvis meget varm med en anslået temperatur på 2.000 grader. De to andre planeter er omtrent på størrelse med Neptun.
Sjældne eller almindelige?
Men hvad, der virkelig optager astronomerne, er, om planeter af Merkurtype er sjældne eller almindelige. Der er faktisk flere begrundelser for, at det er en ret sjælden type planet, ikke mindst fordi metaller er ret sjældne grundstoffer i universet.
Da planeterne blev dannet, var der derfor mange af de lette atomer, som blev brugt ved dannelsen af klipper. Derfor vil en 'normal' planet mest bestå af klipper, mens de forholdsvis sjældne metalatomer højst har kunnet danne en mindre kerne af metal.
For at nå frem til planeter som Merkur og K2-229b forestiller man sig derfor, at de oprindelig er dannet med, hvad man kan kalde det 'normale' forhold mellem klippe og metal, men at de på grund af nogle ret voldsomme sammenstød derefter har tabt det meste af det oprindelige klippelag.
For planeter, der er rigtig tæt på deres stjerne og derfor meget varme, kan det også tænkes, at store dele af de ydre klippelag efterhånden er fordampet og dermed forsvundet fra planeten.
Det har man naturligvis regnet på ved hjælp af matematiske modeller. Blandt andet på universitetet i Zϋrich i Schweiz, hvor man er kommet frem til, at dannelse af planeter af Merkurtype er en så vanskelig proces, at denne type planeter nok må anses for sjældne.
Undervejs i dannelsesprocessen kan der ske det, at planeten bliver helt smadret ved sammenstød, at den mister hele sit klippelag eller noget helt tredje. At ende med en planet som Merkur er ikke en særlig sandsynlig hændelse.
Tilbage til Solsystemet
Et sted i det ydre solsystem kredser asteroiden 16 Psyche mellem Mars og Jupiter. Med en diameter på bare 250 kilometer er den ikke særlig stor, men den er ekstremt interessant for vores emne.
Målinger fra jorden tyder nemlig på, at Psyche består af rent metal – en klode, som helt har mistet sit lag af klippe, sandsynligvis som følge af sammenstød med andre asteroider.
Psyche er den eneste kendte klode, hvor vi kan studere en jernkerne på nærmeste hold. Det agter NASA også at gøre med en rumsonde, der skal opsendes i 2022.
Det kan være, at vi her lærer noget, der kan bringe vores forståelse af Merkur og dens slægtninge et stort skridt videre.
Både K2-229b og Psyche viser, at man ikke bare kan studere en planet alene, men at den skal sammenlignes med andre – det er ofte sammenligninger, der giver den store indsigt. Og det sætter betydningen af BepiColombo i et særligt perspektiv.
Den har i hvert fald nogle meget travle år foran sig.
