Som midjan på en soffpotatis i mitten av livet, planeternas banor i vårt solsystem expanderar. Det händer eftersom solens gravitationsgrepp gradvis försvagas när vår stjärna åldras och tappar massa. Nu, ett team av forskare från NASA och MIT har indirekt mätt denna massförlust och andra solparametrar genom att titta på förändringar i Merkurius omloppsbana.

De nya värdena förbättras jämfört med tidigare förutsägelser genom att minska mängden osäkerhet. Det är särskilt viktigt för graden av solmassaförlust, eftersom det är relaterat till stabiliteten hos G, gravitationskonstanten. Även om G anses vara ett fast tal, om det verkligen är konstant är fortfarande en grundläggande fråga inom fysiken.

"Mercury är det perfekta testobjektet för dessa experiment eftersom det är så känsligt för solens gravitationseffekt och aktivitet, sade Antonio Genova, huvudförfattaren till studien publicerad i Naturkommunikation och en forskare från Massachusetts Institute of Technology som arbetar vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Studien började med att förbättra Merkurius kartlagda efemeri - färdplanen över planetens position på vår himmel över tiden. För det, teamet använde radiospårningsdata som övervakade platsen för NASA:s MESSENGER-rymdfarkost medan uppdraget var aktivt. Förkortning för Mercury Surface, Rymdmiljö, Geokemi, och Ranging, den robotiska rymdfarkosten gjorde tre förbiflygningar av Merkurius 2008 och 2009 och kretsade runt planeten från mars 2011 till april 2015. Forskarna arbetade baklänges, analysera subtila förändringar i Merkurius rörelse som ett sätt att lära sig om solen och hur dess fysiska parametrar påverkar planetens omloppsbana.

I århundraden, forskare har studerat Merkurius rörelse, ägna särskild uppmärksamhet åt dess perihelion, eller den punkt som ligger närmast solen under dess bana. Observationer för länge sedan avslöjade att perihelionen förändras över tiden, kallas precession. Även om gravitationsdragkrafterna från andra planeter står för det mesta av Merkurius precession, de står inte för allt.

Det näst största bidraget kommer från rymdtidens förvrängning runt solen på grund av stjärnans egen gravitation, som omfattas av Einsteins allmänna relativitetsteori. Den allmänna relativitetsteoriens framgång med att förklara det mesta av Merkurius kvarvarande precession hjälpte forskarna att övertyga om att Einsteins teori var rätt.

Övrig, mycket mindre bidrag till Merkurius precession, tillskrivs solens inre struktur och dynamik. En av dessa är solens oblateness, ett mått på hur mycket det buktar i mitten – sin egen version av ett "reservdäck" runt midjan – snarare än att vara en perfekt sfär. Forskarna fick en förbättrad uppskattning av oblateness som överensstämmer med andra typer av studier.

Forskarna kunde separera några av solparametrarna från de relativistiska effekterna, något som inte uppnåtts av tidigare studier som förlitade sig på efemerisdata. Teamet utvecklade en ny teknik som samtidigt uppskattade och integrerade banorna för både MESSENGER och Merkurius, leder till en heltäckande lösning som inkluderar kvantiteter relaterade till utvecklingen av Suns inre och till relativistiska effekter.

"Vi tar upp långvariga och mycket viktiga frågor både inom grundläggande fysik och solvetenskap genom att använda en planetvetenskaplig strategi, ", sa Goddard-geofysikern Erwan Mazarico. "Genom att komma på dessa problem från ett annat perspektiv, vi kan få mer förtroende för siffrorna, och vi kan lära oss mer om samspelet mellan solen och planeterna."

Teamets nya uppskattning av graden av solmassaförlust representerar en av de första gångerna som detta värde har begränsats baserat på observationer snarare än teoretiska beräkningar. Från det teoretiska arbetet, forskare förutspådde tidigare en förlust på en tiondels procent av solens massa under 10 miljarder år; det räcker för att minska stjärnans gravitationskraft och låta planeternas banor spridas med ungefär en halv tum, eller 1,5 centimeter, per år per AU (en AU, eller astronomisk enhet, är avståndet mellan jorden och solen:cirka 93 miljoner miles).

Det nya värdet är något lägre än tidigare prognoser men har mindre osäkerhet. Det gjorde det möjligt för laget att förbättra stabiliteten hos G med en faktor 10, jämfört med värden som härrör från studier av månens rörelse.

"Studien visar hur att göra mätningar av planetariska omloppsförändringar i hela solsystemet öppnar möjligheten för framtida upptäckter om solens och planeternas natur, and indeed, about the basic workings of the universe, " said co-author Maria Zuber, vice president for research at MIT.