Суперкомпьютеры только что помогли разгадать давнюю загадку гигантских звёзд

Недавние достижения в области суперкомпьютерных вычислений позволили учёным решить давнюю загадку астрономии. Исследователи пытались понять, почему химический состав поверхности красных гигантов в ходе их эволюции.

В течение многих лет учёные не могли установить связь между тем, что происходит в недрах красного гиганта, и тем, что наблюдается на его поверхности. Ядерные реакции в ядре изменяют внутренний состав звезды, но стабильный слой отделяет эту область от внешней конвективной оболочки. Оставалось неясным, как вещество преодолевает этот барьер и достигает поверхности.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, исследователи из Астрономического исследовательского центра (ARC) Университета Виктории (UVic) и Университета Миннесоты наконец нашли ответ.

Ключевым фактором оказалось вращение звезды.

Учёные давно знают, что звёзды, подобные нашему Солнцу, резко расширяются, когда в их ядрах заканчивается водород. После этого они превращаются в красных гигантов, размер которых может в 100 раз превышать первоначальный. Начиная с 1970-х годов астрономы фиксировали изменения в химическом составе поверхности звёзд на этой стадии, в том числе изменения соотношения углерода-12 к углероду-13. Эти изменения указывают на то, что вещество из глубин звезды должно транспортироваться наружу, однако точный механизм этого явления долгое время оставался не подтверждённым.

Блуэн и его коллеги обнаружили, что вращение может увеличить скорость перемешивания элементов более чем в 100 раз относительно процессами, происходящими в звёздах, которые не вращаются. Более быстрое вращение приводит к ещё более интенсивному перемешиванию. Поскольку наше Солнце в конечном итоге превратится в красного гиганта, эти результаты также дают представление о его будущей эволюции.

Чтобы раскрыть подробности этого процесса, команда использовала гидродинамическое моделирование, воспроизводящее движение вещества внутри звёзд в трёх измерениях. Такое моделирование чрезвычайно сложно и требует мощных вычислительных систем, поэтому открытие стало возможным только благодаря недавним достижениям в области суперкомпьютерных вычислений.

Исследователи использовали вычислительные ресурсы Техасского центра передовых вычислений при Техасском университете в Остине и суперкомпьютерного кластера Trillium в SciNet при Университете Торонто. Trillium, запущенный в августе 2025 года, входит в число самых мощных систем, доступных в Канаде для крупномасштабных академических симуляций, и является частью Канадского альянса цифровых исследований. Его расширенные вычислительные возможности сыграли решающую роль в проведении этой работы.