恒星旋轉(zhuǎn)：超級計算機揭示紅巨星內(nèi)部的隱藏混合引擎

全新3D模擬顯示，旋轉(zhuǎn)有助于元素跨越紅巨星內(nèi)部的屏障。

超級計算機模擬幫助天文學家解決了一個關(guān)于紅巨星的數(shù)十年之謎。

研究人員表示，恒星旋轉(zhuǎn)是缺失的一環(huán)，它解釋了這些恒星深處的化學元素如何在其老化過程中到達表面。多年來，科學家們一直難以理解紅巨星核心化學成分的變化與其表面觀測到的變化之間有何關(guān)聯(lián)。

一個穩(wěn)定的內(nèi)部層充當著核燃燒核心與外部對流包層之間的屏障。元素如何跨越這一屏障此前一直不清楚。

在一項新研究中，維多利亞大學天文學研究中心和明尼蘇達大學的研究人員利用高分辨率3D模擬來攻克這一難題。他們的結(jié)論很直接：旋轉(zhuǎn)起到了決定性作用。

"利用高分辨率3D模擬，我們得以確定這些恒星的旋轉(zhuǎn)對元素跨越屏障能力的影響，"首席研究員、維多利亞大學博士后研究員西蒙·布盧安說。"恒星旋轉(zhuǎn)至關(guān)重要，它為典型紅巨星中觀測到的化學特征提供了一個自然的解釋。這一發(fā)現(xiàn)是理解恒星演化過程的又一步前進。"

科學家們已知，當類似太陽的恒星核心區(qū)域的氫耗盡時，它們會急劇膨脹，成為紅巨星，體積膨脹到原有尺寸的100倍。自20世紀70年代以來，天文學家們就在這一階段觀測到了表面化學性質(zhì)的變化，包括碳-12與碳-13比率的下降。這些變化表明，恒星深處的物質(zhì)以某種方式向外傳輸。直到現(xiàn)在，這種傳輸背后的物理機制才得以確認。

旋轉(zhuǎn)打破內(nèi)部屏障

由外層對流包層的湍流運動產(chǎn)生的內(nèi)部重力波，此前已被懷疑在其中發(fā)揮了作用。這些波能夠穿透穩(wěn)定的屏障層。然而，早期的模擬顯示它們只能傳輸非常少的物質(zhì)。

新模型表明，旋轉(zhuǎn)顯著增強了這些波的混合能力。

"我們已知由對流包層的湍流運動產(chǎn)生的內(nèi)部波能夠穿過這個屏障層，但之前的模擬發(fā)現(xiàn)這些波傳輸?shù)奈镔|(zhì)非常少。我們現(xiàn)在能夠證明，恒星的旋轉(zhuǎn)極大地增強了這些波跨越屏障混合物質(zhì)的效率，其程度與觀測到的表面成分變化相符。"

根據(jù)研究團隊的說法，模擬恒星中的混合速率比非旋轉(zhuǎn)恒星高出100倍以上，且旋轉(zhuǎn)速度越快，混合能力越強。

由于我們的太陽最終也會演變成一顆紅巨星，這些發(fā)現(xiàn)為其遙遠的未來提供了洞察。

超級計算機解鎖新物理學

這一突破依賴于大規(guī)模流體動力學模擬，該模擬能展現(xiàn)恒星物質(zhì)在三維空間中的運動方式。這些計算量巨大，直到最近才變得可行。

"直到最近，雖然人們一直認為恒星旋轉(zhuǎn)可能是解開這個難題的一部分，但有限的計算能力阻礙了我們定量檢驗這一假設(shè)，"首席研究員、ARC主任法爾克·赫維希說。"這些模擬使我們能夠梳理出細微的影響，以確定實際發(fā)生的情況，幫助我們理解觀測結(jié)果。"

研究團隊使用了德克薩斯高級計算中心以及多倫多大學SciNet團隊新啟用的Trillium超級計算集群的資源。Trillium于2025年8月啟動，為完成模擬提供了所需的強大計算能力。

"正是因為有了新的Trillium機器強大的計算能力，我們才能發(fā)現(xiàn)一個新的恒星混合過程。這是迄今為止計算量最大的恒星對流和內(nèi)部重力波模擬。"

除了恒星演化領(lǐng)域，這項研究所開發(fā)的計算技術(shù)還有助于研究人員模擬海洋、大氣甚至血液循環(huán)中的復雜流動。

該研究發(fā)表在《自然·天文學》雜志上。

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