Merkur: Jaká tajemství nejmenší planety objevila sonda Messenger?

Merkur představuje poněkud zapomenutou planetu. Dílem jde o důsledek jeho nesnadné pozorovatelnosti na obloze, neboť se od Slunce příliš nevzdaluje; dílem byl – až donedávna – na vině fakt, že vyslat automatickou sondu do nitra našeho solárního systému je energeticky náročnější než ji nasměrovat ke vzdáleným objektům. Zařízení je nejprve třeba značně urychlit, aby se dostalo na přechodovou dráhu, jelikož v důsledku nebeských zákonů obíhají vnitřní planety rychleji než vnější. Po příletu k cílovému tělesu pak musí sonda prudce zpomalit, aby se stala jeho oběžnicí. 

Merkur okem Marineru 10

Vzhledem ke všemu uvedenému chvíli trvalo, než se na Merkur zaměřil kosmický výzkum. První úspěch zaznamenal americký Mariner 10, který odstartoval v roce 1973 a poskytl nám premiérový pohled na malou planetu. Zároveň přitom prověřil několik technologických konceptů, jež dnes považujeme za běžné. Sonda jako první využila gravitační prak (u Venuše) k urychlení na cestu k Merkuru a také tlak slunečního záření na solární panely i anténu pro jemné řízení orientace.

Mariner 10 u cílového tělesa třikrát prolétl, ale jelikož jeho oběžná doba kolem Slunce téměř přesně odpovídala dvojnásobku oběžné doby Merkuru, byla planeta při jeho průletech vždy osvětlena z jedné strany. Sonda proto na 2 800 fotografií zmapovala zhruba jen 40 % povrchu tělesa. Snímky ukázaly, že se první člen Sluneční soustavy podobá Měsíci. Pozemský průzkumník rovněž odhalil prchavou atmosféru (exosféru) a především relativně silné magnetické pole, jehož existenci odborníci neočekávali. Výsledky z Marineru 10 si pak vyloženě říkaly o následovníka, který by se pokud možno usadil na orbitě planety.  

Messenger přilétá

Vědci si však museli počkat celých pětadvacet let. První vážný plán na sondu k Merkuru se objevil teprve v roce 1998. Usazení družice na oběžnou dráhu planety bylo totiž podle znalostí dostupných po ukončení mise Marineru 10 příliš náročné na palivo, a konvenčním způsobem tedy nerealizovatelné. 

Až v roce 1985 přišel Čen-wan Jen z Jet Propulsion Laboratory (JPL) s návrhem trajektorie kombinující několik gravitačních manévrů v okolí Venuše a Merkuru. Následné navedení na oběžnou dráhu tak bylo možné i v případě malé a levné družice z programu NASA nazvaného Discovery, jenž spočíval ve vypouštění jednoúčelových, rychlých a nízkonákladových sond jako protipólu k obřím, komplexním a drahým meziplanetárním observatořím. Všechny vědecké cíle mise se týkaly charakterizace Merkuru a jeho bezprostředního okolí, tedy chemického složení povrchu planety, její geologické historie, původu tamního magnetického pole a exosféry, velikosti a stavu planetárního jádra či „inventury“ těkavých prvků v okolí pólů. 

Název sondy Messenger neboli MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging zahrnoval vědecké cíle mise a navíc připomínal samotné jméno planety, neboť mytologický Merkur byl poslem (anglicky „messenger“) římských bohů. Sonda odstartovala 3. srpna 2004 a k cíli dorazila po komplikované trajektorii: V srpnu 2005 se „prosmýkla“ kolem Země, načež v říjnu 2006 a v červnu 2007 proletěla kolem Venuše a Merkur poprvé minula v lednu 2008. Průlet u cílové planety zopakovala v říjnu 2008 a v září 2009, přičemž se pokaždé její rychlost snížila. 

Poslední gravitační manévr zpomalil sondu natolik, že se mohla o rok a půl později setkat s Merkurem znovu, tentokrát při mnohem menší vzájemné rychlosti, kdy již raketové motory zvládly průzkumníka usadit na orbitu planety. Zmíněný postup si však vyžádal celou třetinu veškerých pohonných hmot, které zařízení neslo. Každopádně 18. března 2011 se stal Messenger první umělou družicí Merkuru: Obíhal kolem planety po vysoce eliptické dráze s pericentrem 200 km nad jejím povrchem a s apocentrem ve výšce 15 000 km; po osmnácti dnech pak zahájil vědecká pozorování. Cíle primární vědecké mise, jež byla v průběhu dvakrát prodloužena, se podařilo splnit v březnu 2012. Na konci roku 2014 však došlo palivo pro pohonný systém a putování Messengeru vstoupilo do poslední fáze. 

Magnetické pole a prchlivá atmosféra

Už po průletu Marineru 10 bylo zřejmé, že má Merkur magnetické pole: dipólové a nejspíš zarovnané s rotační osou planety. Jeho objev odborníky poněkud překvapil, při plánování mise Messengeru se však již s jeho existencí počítalo, tudíž se stalo jedním z vědeckých cílů. Magnetické pole Merkuru silně ovlivňuje sluneční vítr, mnohem víc než to zemské – přirozeně především proto, že se první planeta našeho solárního systému nachází Slunci třikrát blíž. 

Tamní magnetické pole je dost silné, aby odklánělo částice slunečního větru a vytvářelo tak protáhlou magnetosféru. Na hraniční ploše však dochází k četnému přepojování magnetických siločar a k následnému vzniku jakýchsi vírových struktur – magnetických tornád. Ta potom virtuálně formují díry v magnetosféře, kudy mohou rychlé a nabité částice slunečního větru pronikat na povrch planety. Navíc se zdá, že se siločáry Merkurovy magnetosféry rozbíhají od severního pólu jinak než od jižního. Rozbíhavá růžice je na jižním pólu podstatně širší, a uprostřed oblasti se tak nachází obří magnetosférická díra, kudy sluneční vítr nerušeně proudí až na povrch planety. Působením těchto částic zvětrává regolit na jižním pólu jinak než na severním a zřejmě intenzivnější reakce na jihu ovlivňují i chemické složení atmosféry Merkuru. 

Ve Sluneční soustavě bychom přitom jen těžko hledali těleso s prchlivějším ovzduším. Struktura Merkurovy atmosféry závisí na tamním ročním období a také na sledovaném chemickém prvku. Spektrometry Messengeru zaznamenaly velké změny zejména v zastoupení vápníku, hořčíku či sodíku, a to v závislosti na vzdálenosti planety od Slunce. Nachází-li se Merkur daleko, je ohon neutrálního sodíku 10–20× méně intenzivní a také kratší, než když planeta krouží k naší hvězdě blíž. Efekt se připisuje tlaku slunečního záření na povrch tělesa, který se v důsledku jeho excentrické dráhy znatelně mění. 

Voda v kráterech?

Rotační osa Merkuru je téměř perfektně kolmá k jeho oběžné rovině, a dna kráterů v blízkosti polárních točen se tudíž nacházejí v trvalém stínu. Již radarová pozorování ze Země poukazovala na podivné jasné skvrny v dané oblasti, svědčící o přítomnosti dielektrického materiálu, například vodního ledu. Zmíněnou hypotézu pomohl prověřit neutronový spektrometr na palubě Messengeru. 

Přímá pozorování při průletech nad severním i jižním pólem potvrzovala výskyt materiálu s vysokým obsahem vodíku. Jakmile se pak přidaly snímky v optické oblasti zachycující vysoce odrazivé plochy na dnech kráterů v polárních lokalitách, které setrvávají v permanentním stínu, bylo jasné, že se skutečně jedná o vodní led. Z povrchové struktury ledovců vyplývá, že k jejich uložení došlo poměrně nedávno, nejspíš někdy v průběhu poslední miliardy let. Na planetě se podle odhadů nachází sto miliard až jeden bilion tun vody a ledovec by místy mohl měřit i 20 m. Navíc se zdá, že led střídavě pokrývá tmavý těkavý materiál, jenž nejspíš obsahuje organické sloučeniny. Vrstva překryvu je podle měření 10–20 cm silná. 

Materiál téměř jistě není původní, nejspíš se na Merkur dostal při dopadech komet a planetek bohatých na vodu. V místech vystavených slunečním paprskům se pak rychle odpařil, zatímco na dnech zastíněných kráterů přetrval. 

Pozůstatky sopečné aktivity

Chemicky neobvyklý je i samotný povrch planety. V minulosti byl Merkur pravděpodobně vulkanicky aktivní, přičemž sopečná činnost zanesla jeho povrchové vrstvy sírou, hořčíkem a podobnými prvky. Podle měření Messengeru se však v tamních horninách nachází síry „až moc“. Žádná z terestrických planet tak vysoké zastoupení zmíněné látky v povrchových vrstvách nemá: V porovnání se Zemí či Měsícem dosahuje relativní množství síry na Merkuru až desetinásobku. 

Dávný vulkanismus je také zodpovědný za dva typy terénu, které na malé planetě najdeme. Hladké sopečné planiny jsou obklopeny zvětralými oblastmi, jež tvoří starší materiál bohatší na hořčík, síru a vápník a chudší na hliník. Planiny tedy sestávají ze ztuhlé lávy, která pochází z chemicky odlišného zdroje než starý terén. Na Zemi představují horniny s vysokým obsahem hořčíku pozůstatky po erupci vysokoteplotního magmatu. Pokud na Merkuru fungovala analogická geologie, je starý terén reliktem vývěru hlubokého magmatu, zatímco mladší terén zformovala láva vylitá z mělčích vrstev. 

Obří železné jádro

Družice přinesla nová zjištění i o samotném nitru Merkuru. O relativní velikosti jeho kovového jádra svědčily již průlety Marineru 10. Jádro však zasahuje do 85 % poloměru planety, což původní odhady překonalo. Podle gravimetrických měření je také přinejmenším částečně tekuté, navzdory faktu, že je Merkur malý a existuje dost dlouho, aby jeho vnitřní vrstvy kompletně utuhly. 

Vědci se domnívají, že jádro planety sestává dokonce ze tří komponent: Pod tuhým pláštěm se nachází tuhé vnější jádro tvořené z větší části sulfidem železnatým; pod ním následuje rozměrné střední jádro – tekuté a nejspíš převážně železné –, v jehož středu pak leží tuhé železné vnitřní jadérko. Přítomnost tekutých vrstev podle vědců vysvětluje existenci rozsáhlé magnetosféry Merkuru. Stále však zůstává záhadou, jak je možné, že má planeta tak obří železné jádro. Žádná z pracovních hypotéz o vzniku a vývoji raného Merkuru plně neodpovídá měřením Messengeru. 

Posel umírá. Kdy vyrazí další?

Na konci roku 2014 vyčerpal Messenger veškeré palivo, takže již nemohl udržovat stabilní oběžnou trajektorii a začal spirálovitě klesat k planetě. Na její povrch dopadl loni 30. dubna rychlostí 3,9 km/s, přičemž nejspíš vytvořil kráter zhruba o velikosti 16 m. Zánik sondy nebylo možné ze Země pozorovat, ale podle propočtů skončila její pouť na planině Suisei poblíž kráteru Janáček. 

TIP: Evropa a Japonsko společně vyslaly ambiciózní misi k planetě Merkur

Messenger posunul naše znalosti o Merkuru na další úroveň a na jeho nástupce snad nebudeme znovu čekat čtvrt století – přinejmenším půjde-li vše podle plánu. Na konci roku 2018 totiž odstartovala sonda BepiColombo, jež absolvuje osm (!) gravitačních manévrů u Země, Venuše a Merkuru, načež se počátkem roku 2025 dostane po sedmi letech na orbitu cílové planety.