Сверхкомпьютеры разгадали 50-летнюю загадку гигантских звезд

Благодаря последним достижениям в области суперкомпьютерных технологий ученые смогли ответить на давний вопрос в астрономии. Исследователи давно пытались понять, почему химический состав поверхности звезд-красных гигантов меняется по мере их эволюции.

На протяжении многих лет ученым не удавалось установить связь между процессами, происходящими глубоко внутри 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 веществу удается преодолеть этот барьер и достичь поверхности.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, ученые наконец нашли ответ.

Вращение звезд способствует перемешиванию элементов

Ключевым фактором оказалось вращение звезды.

«Используя трехмерные симуляции высокого разрешения, мы смогли определить, как вращение этих звезд влияет на способность элементов преодолевать барьер, — объясняет ведущий исследователь Саймон Блуэн. — Вращение звезд имеет решающее значение и дает естественное объяснение наблюдаемым химическим особенностям у типичных красных гигантов. Это открытие — еще один шаг вперед в понимании эволюции звезд».

Ученым давно известно, что звезды, подобные нашему Солнцу, значительно расширяются, исчерпав водород в своих ядрах, превращаясь в красных гигантов, которые могут вырасти до 100 раз по сравнению с первоначальным размером. С 1970-х годов астрономы фиксировали изменения в их поверхностном химическом составе на этой стадии, включая сдвиги в соотношении углерода-12 к углероду-13. Эти изменения указывали на то, что вещество из глубоких слоев звезды должно транспортироваться наружу, но точный механизм оставался неподтвержденным.

«Мы знали, что внутренние волны, генерируемые турбулентными движениями в конвективной оболочке, способны проходить через этот барьерный слой, но предыдущие симуляции показывали, что эти волны переносили очень мало вещества. Мы смогли продемонстрировать, что вращение звезды значительно усиливает эффективность перемешивания вещества этими волнами через барьер, до такой степени, которая соответствует наблюдаемым изменениям в поверхностном составе», — пояснил Блуэн.

Блуэн и его коллеги обнаружили, что вращение может увеличить скорость перемешивания более чем в 100 раз по сравнению с невращающимися звездами. Более быстрое вращение приводит к еще более интенсивному перемешиванию. Поскольку наше Солнце в конечном итоге станет красным гигантом, эти выводы также дают представление о его будущей эволюции.

Передовые симуляции раскрывают скрытые процессы

Для выявления этого процесса команда использовала гидродинамические симуляции, которые моделируют потоки вещества внутри звезд в трех измерениях. Эти симуляции чрезвычайно сложны и требуют мощных вычислительных систем, что сделало открытие возможным только благодаря недавним достижениям в области суперкомпьютерных технологий.

«До недавнего времени, хотя вращение звезд и считалось частью решения этой головоломки, ограниченные вычислительные возможности не позволяли нам количественно проверить гипотезу», — говорит Фальк Хервиг, главный исследователь. — Эти симуляции позволяют нам выявить мелкие эффекты, чтобы определить, что происходит на самом деле, помогая нам понять наши наблюдения».

Исследователи использовали мощные вычислительные ресурсы, доступные для крупномасштабных академических симуляций. Усовершенствованные возможности обработки данных этих систем сыграли решающую роль в проведении данной работы.

«Мы смогли обнаружить новый процесс звездного перемешивания только благодаря огромной вычислительной мощности современных машин. Это самые ресурсоемкие симуляции звездной конвекции и внутренних гравитационных волн, выполненные на сегодняшний день», — отметил Хервиг.

Более широкое влияние и будущие исследования

Методы, использованные в этом исследовании, выходят за рамки астрофизики. Те же вычислительные подходы могут помочь ученым лучше понять движение жидкостей во многих системах, включая океанские течения, атмосферные явления и кровоток. Хервиг сотрудничает с исследователями в этих областях для создания общих инструментов и инфраструктуры для крупномасштабных симуляций.

Блуэн планирует продолжить изучение того, как вращение звезд влияет на различные типы светил. Будущие работы будут посвящены изучению того, как меняющиеся модели вращения влияют на эффективность перемешивания и происходят ли аналогичные процессы на других этапах звездной эволюции.

Данное исследование было проведено при финансовой поддержке.