Jarenlang was het een raadsel voor planeetwetenschappers: waar bleef het lithium op Mercurius? Van natrium en kalium – twee zogeheten alkalimetalen – was al bekend dat ze in de extreem dunne dampkring van de planeet aanwezig zijn. Aangezien lithium tot dezelfde chemische familie behoort, lag het voor de hand dat ook dit element aanwezig moest zijn. Toch ontbrak elk bewijs. Tot nu.
Een internationaal onderzoeksteam heeft als eerste ooit lithium op Mercurius gedetecteerd – niet door het direct waar te nemen, maar door de elektromagnetische ‘vingerafdruk’ die het element achterlaat wanneer het wordt meegesleurd door de zonnewind. De vondst is niet alleen een technisch hoogstandje, maar verandert ook het beeld dat we hebben van Mercurius als dode, uitgedroogde wereld.
Een planeet zonder lucht, maar niet zonder activiteit
Mercurius, de binnenste planeet van ons zonnestelsel, is een onherbergzame rotsbol met een extreem ijle exosfeer. Atomen zijn er zo schaars dat ze nauwelijks met elkaar botsen. Toch toont de planeet verrassend veel activiteit – niet in de vorm van weer of vulkanisme, maar door constante inslagen van kleine meteoroïden.
Juist die inslagen blijken een sleutelrol te spelen in het blootleggen van verborgen elementen in de korst van Mercurius. Wanneer een meteoroïde – zeg een rotsblok van zo’n 15 tot 20 centimeter – met snelheden tot 110 kilometer per seconde inslaat op het oppervlak, ontstaat een mini-explosie. Materiaal van de korst verdampt, waaronder mogelijk ook lithiumhoudende verbindingen.
Die lithiumatomen worden vervolgens door de intense ultraviolette straling van de zon geïoniseerd – ze verliezen een elektron en veranderen in positief geladen lithiumionen. En dát is waar de magie begint.
Golven verraden het element
In plaats van te zoeken naar de atomen zelf, die in zulke kleine hoeveelheden voorkomen dat zelfs gevoelige instrumenten ze missen, ging het team onder leiding van Daniel Schmid van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen op zoek naar de sporen die lithiumionen in het magnetisch veld achterlaten.
Wanneer geladen deeltjes zoals lithiumionen worden ingevangen door de zonnewind, veroorzaken ze zogeheten ion cyclotron waves (ICWs): magnetische golven met een specifieke frequentie die afhankelijk is van de massa en lading van het ion. Vergelijk het met een radiostation dat afgesteld is op het ‘kanaal’ van lithium.
Door vier jaar aan magnetische data van NASA’s MESSENGER-ruimtesonde opnieuw te analyseren, wist het team 12 unieke gebeurtenissen te identificeren waarbij de karakteristieke lithiumfrequentie opdook. Elke gebeurtenis duurde slechts enkele tientallen minuten – kortstondige ramen waarin verse lithiumionen door de ruimte gierden na een meteoroïde-inslag.
Een dynamische planeet onder het stof
De ontdekking ondersteunt het idee dat Mercurius, ondanks zijn dode uiterlijk, voortdurend wordt beïnvloed door kosmische invloeden. Meteoroïden brengen niet alleen nieuw materiaal naar het oppervlak, ze fungeren ook als katalysator voor het vrijmaken van bestaande, vluchtige stoffen in de korst.
Dit is bijzonder, omdat lang werd gedacht dat Mercurius – vanwege zijn nabijheid tot de zon – zijn vluchtige elementen allang had verloren. Maar MESSENGER had eerder al aanwijzingen gevonden voor waterstof, helium en zelfs organische verbindingen. De vondst van lithium voegt een nieuw puzzelstuk toe aan dit complexe plaatje.
Volgens Schmid toont het onderzoek aan dat de chemie van Mercurius’ oppervlak nog steeds ‘levendig’ is – zij het op een heel ander tijdschaal en niveau dan we op aarde gewend zijn. Elke inslag draagt bij aan een cyclus van afbraak, verdamping en tijdelijke verrijking van de exosfeer.
Toepassingen tot ver buiten Mercurius
Wat deze ontdekking extra interessant maakt, is de gebruikte methode. Omdat het op directe waarneming gebaseerde detectiemethoden vaak tekortschieten op luchtarme hemellichamen zoals Mercurius, biedt deze indirecte golfanalyse nieuwe mogelijkheden. Dezelfde techniek kan bijvoorbeeld worden toegepast op de maan, Mars of zelfs asteroïden – plekken waar het moeilijk is om zeldzame elementen direct te meten.
Voor toekomstige ruimtemissies, zoals ESA’s BepiColombo (die Mercurius momenteel nadert), opent dit de deur naar nieuwe soorten metingen zonder dat daarvoor dure of logge apparatuur nodig is. Met gevoelige magnetometers en voldoende data-analyse is het mogelijk om zelfs de zeldzaamste elementen op te sporen aan de hand van hun subtiele invloed op het elektromagnetisch veld.
