天文學家通過超級計算機模擬，解開了有關紅巨星的數十年謎團。研究人員表示，恆星自轉是解釋這些星體隨著年齡增長，深層化學元素如何到達其表面的關鍵因素。多年來，科學家一直在努力理解紅巨星核心化學成分的變化如何與表面觀察到的變化相連接。穩定的內部層充當了核燃燒核心和外部對流包層之間的屏障，而元素如何穿越這一屏障仍然不明朗。
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使用高分辨率的三維模擬來解決這一問題。他們的結論非常直接：自轉在此過程中發揮了決定性作用。主要研究者及維多利亞大學的博士後研究員西蒙·布盧因表示：「利用高分辨率的三維模擬，我們能夠識別恆星自轉對元素穿越屏障的影響。」
恆星自轉至關重要，為典型紅巨星中觀察到的化學特徵提供了自然的解釋。這一發現是理解恆星演化的又一步。科學家知道，當類太陽恆星耗盡核心中的氫時，它們會劇烈膨脹，成為原來大小的最多 100 倍紅巨星。自 1970 年代以來，天文學家已觀察到在這一階段表面化學的變化，包括碳-12 與碳-13 比例的下降。這些變化表明深層材料以某種方式向外運輸。直到目前，這一運輸的物理機制尚未得到確認。
內部重力波的生成與外部包層中的攪動運動有關，早已被懷疑可能起到一定作用。這些波可以穿過穩定的屏障層。然而，早期模擬顯示它們運輸的材料非常有限。新的模型顯示，自轉顯著增強了這些波的混合能力。研究團隊表示：「我們知道，通過對流包層中攪動運動生成的內部波能夠穿過這一屏障層，但之前的模擬發現這些波運輸的材料非常少。我們能夠證明恆星的自轉極大地提高了這些波在屏障之間混合材料的有效性，這一程度與觀察到的表面組成變化相符。」
根據團隊的研究，模擬恆星中的混合速率比非自轉恆星高出 100 倍以上，更快的自轉導致更強的混合。由於我們的太陽最終將成為紅巨星，這些發現為其遙遠的未來提供了洞見。
此次突破依賴於大型水動力學模擬，這些模擬模型展示了恆星材料在三維空間中的運動。這些計算需要大量計算資源，直到最近才變得可行。主研究員及 ARC 的主任法爾克·赫爾維克表示：「直到最近，儘管認為恆星自轉是解決這一難題的一部分，但有限的計算能力使我們無法定量測試這一假設。這些模擬幫助我們釐清小效應，以確定實際發生的情況，並有助於我們理解觀察結果。」
研究團隊利用德克薩斯高級計算中心和多倫多大學的 Trillium 超級計算機集群進行研究。Trillium 於 2025 年 8 月啟用，提供了完成模擬所需的擴展計算能力。「我們能夠發現一種新的恆星混合過程，完全是因為新 Trillium 計算機的巨大計算能力。這些是迄今為止計算最密集的恆星對流和內部重力波模擬。」
超越恆星演化，為此研究開發的計算技術可能幫助研究人員模擬海洋、大氣甚至血液循環中的複雜流動。該研究發表在《Nature Astronomy》上。
