De planeet Mercurius, de kastplaneet naar onze zon, is iets van een oefening in uitersten. Het zijn dagen die langer duren dan jaren en op elk willekeurig moment, de naar de zon gerichte kant is gloeiend heet, terwijl de donkere kant ijskoud is. Het is ook een van de minst begrepen planeten in ons zonnestelsel. Hoewel het een aardse (d.w.z. rotsachtige) planeet is zoals de aarde, Venus en Mars, het heeft een aanzienlijk hogere ijzer-tot-steenverhouding dan de andere.

Al decenia, de meest algemeen aanvaarde theorie hiervoor was dat Mercurius in het verleden een enorme impact heeft gehad waardoor de planeet veel van zijn rotsachtige mantel heeft afgestoten. Echter, volgens een nieuwe studie door een team van wetenschappers van het Centrum voor Theoretische Astrofysica en Kosmologie (CTAC) aan de Universiteit van Zürich, De mysterieuze aard van Mercurius kan het resultaat zijn van meerdere botsingen met gigantische objecten.

Ter wille van hun studie, getiteld "Kwik vormen door gigantische inslagen, " teamleider Alice Chau en haar collega's (die allemaal lid zijn van het Institute for Computational Science aan de CTAC) hebben de verschillende redenen overwogen waarom Mercurius de dichtheid en de ijzer-tot-steenverhouding heeft die het heeft. Uiteindelijk, ze hebben alle mogelijke scenario's overwogen om te bepalen welke de meest waarschijnlijke was.

Om het af te breken, Mercurius is voor astronomen een mysterie gebleven omdat het veel meer metaalachtig is dan zijn buren. Net als de aarde, Venus en Mars, Mercurius is een terrestrische planeet, wat betekent dat het is samengesteld uit silicaatmineralen en metalen die zijn gedifferentieerd in een ijzeren kern en silicaatmantel en korst. Maar in tegenstelling tot de andere rotsplaneten van het zonnestelsel, ijzer maakt een onevenredig groot deel van de planeet uit.

De kern van Mercurius heeft niet alleen een hoger ijzergehalte dan elke andere grote planeet in het zonnestelsel, maar op basis van zijn dichtheid en grootte, geologen schatten dat de kern van Mercurius ongeveer 42 procent van zijn volume inneemt - vergeleken met 17 procent van de aarde. De reden hiervoor blijft onbekend, maar er zijn in de loop der jaren veel theorieën ontwikkeld. Zoals Chau via e-mail aan universum Today vertelde, deze theorieën kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën:

Ofwel kreeg Mercurius vanaf het begin zijn grote ijzeren kern, in de zonnenevel/schijf. Dicht bij de zon zouden sommige mechanismen efficiënter kunnen zijn geweest om metalen en gesteenten te scheiden (vanwege hun verschillende condensatietemperatuur, of geleidende eigenschappen, of hun evenwicht tussen weerstand en zwaartekracht), waardoor er meer metalen naar binnen zouden drijven en stenen naar buiten. Kwik zou zich dan vormen op een plaats die meer metaal bevat dan in de rest van de schijf. ii) of het vormde een kern die qua massaverhouding vergelijkbaar was met de andere terrestrische planeten, maar een deel van zijn mantel verloor in de late stadia van zijn vorming, zoals bij een gigantische inslag of door verdamping (en de dampmantel zou worden weggeblazen door zonnewinden)."

De tweede mogelijkheid, waar Mercurius veel van zijn mantel verloor door verdamping of een enorme inslag, blijft de meest algemeen aanvaarde onder de wetenschappelijke gemeenschap. Hierop voortbouwend, Chau en haar collega's bestudeerden standaardbotsingsparameters (botssnelheid, massaverhouding, impactparameter) en overwogen wat de waarschijnlijke samenstelling van een impactor zou zijn, evenals hoe de afkoeling van Mercurius daarna een rol zou spelen.

Het doel hiervan was om te bepalen of de samenstelling van Mercurius het resultaat was van een enkele, gigantische impact, of vele kleinere. Hoewel beide mogelijkheden zeldzaam zijn en een unieke reeks omstandigheden vereisen, Chau en haar collega's hebben vastgesteld dat beide impactscenario's de merkwaardige aard van Mercurius kunnen verklaren. Zoals ze uitlegde, hun conclusies kwamen neer op vijf punten:

1. Een enkele gigantische impact of hit-and-run impact vereist een sterk afgestemde impactparameter en snelheid om de massa- en ijzermassafractie van Mercurius te reproduceren. Er is een wat grotere parameterruimte aan mogelijkheden in het hit-and-run scenario.
2. De samenstelling van het botslichaam beïnvloedt de resulterende uiteindelijke massa en de ijzerverdeling na de impact.
3. De pre-impact toestand van het doel beïnvloedt de resulterende uiteindelijke massa.
4. Een scenario met meerdere botsingen ontsnapt aan de fijnafstemming van de geometrische parameters, maar wordt beperkt door de timing en door de vluchtige-rijke samenstelling van het oppervlak van Mercurius.
5. Mercurius vormen door gigantische inslagen is haalbaar maar moeilijk.

Kortom, ze ontdekten dat het mogelijk is dat beide scenario's het hoge ijzer-tot-steen-rantsoen van Mercurius kunnen verklaren, maar dat de kans dat ze zijn gebeurd niet groot is. Dit wordt ondersteund, volgens Chau, door het feit dat er maar weinig Mercurius-analoge exoplaneten zijn gevonden. In dit opzicht, wat er ook voor heeft gezorgd dat Mercurius is geworden zoals het is, kan een relatief zeldzame gebeurtenis zijn voor zover het de evolutie van sterrenstelsels betreft.

"Onze studie is niet de eerste die gigantische inslagen voorstelt om de grote ijzeren kern van Mercurius te verklaren, maar bevestigt dat we nogal specifieke voorwaarden nodig hebben voor gigantische inslagen, " zei Chau. "Het lijkt erop dat het vormen van Mercurius moeilijk is. In een andere zin, dit is geruststellend omdat we niet veel exoplaneten waarnemen die qua samenstelling op Mercurius lijken. Ook, ook al is het een zeldzame gebeurtenis, er is maar één impact nodig."

In deze betekenis, gigantische inslagen kunnen worden gezien als gelukkige gebeurtenissen en een herinnering aan hoe chaotisch planetaire systemen zijn, voegde Chau toe. Want niet alleen hebben dit soort botsingen een diepgaande invloed op de eigenschappen van een planeet (bijvoorbeeld het aarde-maansysteem wordt verondersteld het resultaat te zijn van een gigantische impact), maar gebaseerd op exoplaneetonderzoeken, dergelijke gevallen lijken ook vrij zeldzaam te zijn.

Misschien is ons zonnestelsel in meerdere opzichten uniek, waaronder de opkomst van leven en de aanwezigheid van gigantische inslagen die verschillende van zijn planeten fundamenteel veranderden. Nogmaals, we zijn eigenlijk pas begonnen aan de oppervlakte wat betreft ontdekkingen van exoplaneten, en misschien vinden we daar nog veel Mercurius-achtige planeten.