Mercurius herbergt waterijs in de diepste kraters van zijn poolgebieden. Maar het is onduidelijk hoe die watermoleculen op de planeet terecht zijn gekomen. Een nieuwe simulatie laat nu zien dat invallende kleine hemellichamen zoals asteroïden, kometen en ruimtestof genoeg water met zich meedragen om alle aanwezige ijslagen te vullen. De studie vormt de basis voor nieuw onderzoek naar water op planeten buiten ons zonnestelsel. Publicatie in Icarus op 19 april.

We weten al tientallen jaren dat er water aanwezig is op Mercurius. Misschien zou je verwachten dat dit alleen kan bestaan in de vorm van waterdamp. De planeet heeft immers geen atmosfeer, dus vloeistoffen zijn uitgesloten vanwege een gebrek aan luchtdruk. En Mercurius staat bijna driemaal dichter bij de Zon dan de Aarde, dus ijs lijkt ook erg onwaarschijnlijk. Maar dan heb je buiten de kraters gerekend. Diepe kraters in de poolgebieden bevatten troggen die eeuwig in duisternis zijn gehuld, slechts verlicht door het zwakke schijnsel van de Melkweg tegen de achtergrond van het diepzwarte heelal. Deze obscure plekken bieden een veilige haven aan ijslagen van vele meters dik op de dichtste planeet bij de Zon. Dan blijft de vraag over: hoe zijn die watermoleculen op Mercurius beland?

Eerste auteur Kateryna Frantseva (SRON/RUG) heeft een algoritme ontworpen dat meteorietinslagen in de vorm van asteroïden, kometen en interplanetaire stofdeeltjes simuleert. Het blijkt dat deze kleine hemellichamen gedurende een periode van een miljard jaar genoeg water naar het oppervlak van Mercurius brengen om de hoeveelheid te verklaren die we nu zien.

Frantseva: ‘We kunnen endogene waterbronnen niet uitsluiten, zoals vulkanische activiteit en gassen die ontsnappen uit de korst en mantel, maar dit resultaat laat zien dat we ze niet nodig hebben. We kunnen volstaan met inslagen van kleine hemellichamen om het water te verklaren dat we op Mercurius zien.’ De simulatie toont dat interplanetaire stofdeeltjes verreweg de zwaarste lasten dragen, met ruim tienduizend kilogram per jaar. Asteroïden en kometen leveren jaarlijks elk ongeveer duizend kilogram water. 

De simulatie biedt een basis voor nieuwe theoretische modellen voor het aanleveren van water op exoplaneten—planeten buiten ons Zonnestelsel. Die kunnen astronomen vergelijken met toekomstige observaties, bijvoorbeeld die van de recent gelanceerde James Webb ruimtetelescoop, waarmee ze mogelijk de vingerafdrukken van watermoleculen kunnen zien in het spectrum van licht dat asteroïdegordels in exoplaneetsystemen uitzenden als ze het licht van hun moederster weerkaatsten.

Eerste auteur Kateryna Frantseva is een Oekraïense wetenschapper werkzaam in Nederland. Ze is onderdeel van een netwerk van Oekraïense vrijwilligers in de Nederlandse academische wereld die hun thuisland ondersteunen. Helpen kan via een donatie. Mensen buiten Nederland kunnen hier doneren. De cartoon is gemaakt door Anastasiia Kriuchevska.

Publicatie

Kateryna Frantseva, David Nesvorný, Michael Mueller, Floris F.S. van der Tak, Inge Loes ten Kate, Petr Pokorný, ‘Exogenous delivery of water to Mercury’, Icarus

Space dust, asteroids and comets can account for all water on Mercury

Mercury harbors water ice in the shadows of the steepest craters around its poles. But it is unclear how those water molecules ended up on Mercury. Now a new simulation shows that incoming minor bodies such as asteroids, comets and dust particles carry enough water to account for all the ice sheets present. The study could form the basis for new research on water in exoplanetary systems. Publication in Icarus on April 19th.

We have known for a few decades that Mercury harbors water. You might expect that this can only be in the form of water vapor. After all, the planet has no atmosphere so we can rule out a liquid due to a lack of pressure. And Mercury is almost three times closer to the Sun than the Earth is, so water ice doesn’t seem likely either. But then you forgot about craters. Steep craters at high latitudes contain troughs that are forever captured in darkness, only illuminated by the dimly glowing band of the Milky Way against the backdrop of an eternal black sky. These eerie places are home to ice sheets many meters thick, on the closest planet to the Sun. Now the question remains: how did those water molecules end up on Mercury?

First author Kateryna Frantseva (SRON/RUG) has developed an algorithm that simulates meteorite impacts in the form of asteroids, comets and interplanetary dust particles (IDPs). It turns out that over the course of a billion years these bodies bring enough water to Mercury’s surface to explain the amount that we currently see.

Frantseva: ‘We cannot rule out endogenous sources of water such as volcanic activity and outgassing from the crust and mantle, but this shows that we don’t need anything other than impacts from minor bodies to explain the water we see on Mercury.’ The simulation shows that IDPs carry by far the heaviest load, with over ten thousand kilograms per year. In comparison, asteroids and comets deliver yearly each about a thousand kilograms.

The simulation provides a basis for new theoretical models for water delivery to exoplanets—planets outside our Solar System. These can be compared to future observations, for example from the recently launched James Webb telescope, in which astronomers might be able to spot water signatures in the spectrum of light that asteroid belts in exoplanetary systems emit while re-radiating light from their host star.

First author Kateryna Frantseva is a Ukrainian scientist based in The Netherlands. She is part of a network of Ukrainian volunteers working in Dutch academia that support their home country. To help out, you can donate here. If you live outside of The Netherlands, you can donate here. The cartoon was made by Anastasiia Kriuchevska.

Publication

Kateryna Frantseva, David Nesvorný, Michael Mueller, Floris F.S. van der Tak, Inge Loes ten Kate, Petr Pokorný, ‘Exogenous delivery of water to Mercury’, Icarus