Als de tailleband van een bankaardappel op middelbare leeftijd, de banen van planeten in ons zonnestelsel breiden zich uit. Het gebeurt omdat de zwaartekracht van de zon geleidelijk zwakker wordt naarmate onze ster ouder wordt en massa verliest. Nutsvoorzieningen, een team van NASA- en MIT-wetenschappers heeft dit massaverlies en andere zonneparameters indirect gemeten door te kijken naar veranderingen in de baan van Mercurius.

De nieuwe waarden verbeteren ten opzichte van eerdere voorspellingen door de hoeveelheid onzekerheid te verminderen. Dat is vooral belangrijk voor de snelheid van het massaverlies van de zon, omdat het gerelateerd is aan de stabiliteit van G, de zwaartekrachtconstante. Hoewel G als een vast getal wordt beschouwd, of het echt constant is, is nog steeds een fundamentele vraag in de natuurkunde.

"Kwik is het perfecte testobject voor deze experimenten omdat het zo gevoelig is voor het zwaartekrachtseffect en de activiteit van de zon, " zei Antonio Genova, de hoofdauteur van de studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie en een onderzoeker van het Massachusetts Institute of Technology die werkt bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

De studie begon met het verbeteren van de in kaart gebrachte efemeriden van Mercurius - de wegenkaart van de positie van de planeet aan onze hemel in de loop van de tijd. Daarom, het team maakte gebruik van radiotrackinggegevens die de locatie van NASA's MESSENGER-ruimtevaartuig volgden terwijl de missie actief was. Afkorting van Mercury Surface, Ruimte Milieu, Geochemie, en Variërend, het ruimtevaartuig maakte in 2008 en 2009 drie keer langs Mercurius en draaide van maart 2011 tot april 2015 om de planeet. De wetenschappers werkten achteruit, het analyseren van subtiele veranderingen in de beweging van Mercurius als een manier om meer te weten te komen over de zon en hoe zijn fysieke parameters de baan van de planeet beïnvloeden.

Eeuwenlang, wetenschappers hebben de beweging van Mercurius bestudeerd, met bijzondere aandacht voor het perihelium, of het dichtstbijzijnde punt bij de zon tijdens zijn baan. Waarnemingen lang geleden hebben aangetoond dat het perihelium in de loop van de tijd verschuift, precessie genoemd. Hoewel de aantrekkingskracht van andere planeten verantwoordelijk is voor het grootste deel van Mercurius' precessie, ze tellen niet allemaal mee.

De op één na grootste bijdrage komt van de kromming van de ruimte-tijd rond de zon vanwege de eigen zwaartekracht van de ster, die wordt gedekt door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Het succes van de algemene relativiteitstheorie bij het verklaren van de meeste resterende precessie van Mercurius hielp wetenschappers ervan te overtuigen dat de theorie van Einstein juist was.

Ander, veel kleinere bijdragen aan de precessie van Mercurius, worden toegeschreven aan de interne structuur en dynamiek van de zon. Een daarvan is de afplatting van de zon, een maat voor hoeveel het in het midden uitpuilt - zijn eigen versie van een "reservewiel" rond de taille - in plaats van een perfecte bol te zijn. De onderzoekers kregen een verbeterde schatting van de afplatting die consistent is met andere soorten studies.

De onderzoekers waren in staat om enkele zonneparameters te scheiden van de relativistische effecten, iets wat niet werd bereikt door eerdere onderzoeken die waren gebaseerd op gegevens over efemeriden. Het team ontwikkelde een nieuwe techniek die tegelijkertijd de banen van zowel MESSENGER als Mercurius schatte en integreerde, wat leidt tot een alomvattende oplossing die hoeveelheden omvat die verband houden met de evolutie van het binnenste van de zon en met relativistische effecten.

"We pakken al lang bestaande en zeer belangrijke vragen aan, zowel in de fundamentele fysica als in de zonnewetenschap door een planetaire wetenschappelijke benadering te gebruiken, "Zei Goddard-geofysicus Erwan Mazarico. "Door deze problemen vanuit een ander perspectief te bekijken, we kunnen meer vertrouwen krijgen in de cijfers, en we kunnen meer leren over het samenspel tussen de zon en de planeten."

De nieuwe schatting van het team van de snelheid van het verlies van zonnemassa is een van de eerste keren dat deze waarde werd beperkt op basis van waarnemingen in plaats van theoretische berekeningen. Uit het theoretische werk wetenschappers voorspelden eerder een verlies van een tiende van een procent van de massa van de zon gedurende 10 miljard jaar; dat is genoeg om de aantrekkingskracht van de ster te verminderen en de banen van de planeten ongeveer een centimeter uit te spreiden, of 1,5 centimeter, per jaar per AU (een AU, of astronomische eenheid, is de afstand tussen de aarde en de zon:ongeveer 93 miljoen mijl).

De nieuwe waarde is iets lager dan eerdere voorspellingen, maar kent minder onzekerheid. Daardoor kon het team de stabiliteit van G met een factor 10 verbeteren, vergeleken met waarden die zijn afgeleid van studies van de beweging van de maan.

"The study demonstrates how making measurements of planetary orbit changes throughout the solar system opens the possibility of future discoveries about the nature of the Sun and planets, and indeed, about the basic workings of the universe, " said co-author Maria Zuber, vice president for research at MIT.