北京
全新3D模拟显示，旋转有助于元素跨越红巨星内部的屏障。
超级计算机模拟帮助天文学家解决了一个关于红巨星的数十年之谜。
研究人员表示，恒星旋转是缺失的一环，它解释了这些恒星深处的化学元素如何在其老化过程中到达表面。多年来，科学家们一直难以理解红巨星核心化学成分的变化与其表面观测到的变化之间有何关联。
一个稳定的内部层充当着核燃烧核心与外部对流包层之间的屏障。元素如何跨越这一屏障此前一直不清楚。
在一项新研究中，维多利亚大学天文学研究中心和明尼苏达大学的研究人员利用高分辨率3D模拟来攻克这一难题。他们的结论很直接：旋转起到了决定性作用。
"利用高分辨率3D模拟，我们得以确定这些恒星的旋转对元素跨越屏障能力的影响，"首席研究员、维多利亚大学博士后研究员西蒙·布卢安说。"恒星旋转至关重要，它为典型红巨星中观测到的化学特征提供了一个自然的解释。这一发现是理解恒星演化过程的又一步前进。"
科学家们已知，当类似太阳的恒星核心区域的氢耗尽时，它们会急剧膨胀，成为红巨星，体积膨胀到原有尺寸的100倍。自20世纪70年代以来，天文学家们就在这一阶段观测到了表面化学性质的变化，包括碳-12与碳-13比率的下降。这些变化表明，恒星深处的物质以某种方式向外传输。直到现在，这种传输背后的物理机制才得以确认。
旋转打破内部屏障
由外层对流包层的湍流运动产生的内部重力波，此前已被怀疑在其中发挥了作用。这些波能够穿透稳定的屏障层。然而，早期的模拟显示它们只能传输非常少的物质。
新模型表明，旋转显著增强了这些波的混合能力。
"我们已知由对流包层的湍流运动产生的内部波能够穿过这个屏障层，但之前的模拟发现这些波传输的物质非常少。我们现在能够证明，恒星的旋转极大地增强了这些波跨越屏障混合物质的效率，其程度与观测到的表面成分变化相符。"
根据研究团队的说法，模拟恒星中的混合速率比非旋转恒星高出100倍以上，且旋转速度越快，混合能力越强。
由于我们的太阳最终也会演变成一颗红巨星，这些发现为其遥远的未来提供了洞察。
超级计算机解锁新物理学
这一突破依赖于大规模流体动力学模拟，该模拟能展现恒星物质在三维空间中的运动方式。这些计算量巨大，直到最近才变得可行。
"直到最近，虽然人们一直认为恒星旋转可能是解开这个难题的一部分，但有限的计算能力阻碍了我们定量检验这一假设，"首席研究员、ARC主任法尔克·赫维希说。"这些模拟使我们能够梳理出细微的影响，以确定实际发生的情况，帮助我们理解观测结果。"
研究团队使用了德克萨斯高级计算中心以及多伦多大学SciNet团队新启用的Trillium超级计算集群的资源。Trillium于2025年8月启动，为完成模拟提供了所需的强大计算能力。
"正是因为有了新的Trillium机器强大的计算能力，我们才能发现一个新的恒星混合过程。这是迄今为止计算量最大的恒星对流和内部重力波模拟。"
除了恒星演化领域，这项研究所开发的计算技术还有助于研究人员模拟海洋、大气甚至血液循环中的复杂流动。
该研究发表在《自然·天文学》杂志上。
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