Когда звезды вроде нашего Солнца исчерпывают водород в своих ядрах, они резко расширяются, превращаясь в красных гигантов, в сотни раз превышающих свой первоначальный размер. С 1970-х годов астрономы замечали странность: в этот период меняется химический состав поверхности, в частности снижается соотношение углерода-12 к углероду-13. Это означало, что вещество из глубин звезды каким-то образом поднимается наверх. Но как оно преодолевает стабильный внутренний слой, разделяющий ядро и внешнюю оболочку?
Ученые подозревали, что механизм связан с внутренними гравитационными волнами, порождаемыми турбулентностью во внешней оболочке. Такие волны способны проникать сквозь барьерный слой, но ранние симуляции показывали, что переносимое ими количество вещества ничтожно мало. Объяснить наблюдаемые изменения не удавалось.
Команда исследователей из Университета Виктории и Университета Миннесоты использовала мощные суперкомпьютерные симуляции, чтобы взглянуть на проблему по-новому. Они впервые смоделировали трехмерную гидродинамику звезды с учетом ее вращения. Результат оказался впечатляющим.
«Вращение звезды значительно усиливает эффективность перемешивания вещества этими волнами, до такой степени, что это соответствует наблюдаемым изменениям состава поверхности», — объясняет ведущий автор Саймон Блуэн. Скорость перемешивания в моделируемой вращающейся звезде оказалась более чем в 100 раз выше, чем в невращающихся моделях. Чем быстрее вращение, тем интенсивнее идет процесс.
Вычисления потребовали колоссальных ресурсов. Команда использовала мощности Техасского центра передовых вычислений и новый суперкомпьютерный кластер Trillium в Университете Торонто, запущенный в августе 2025 года. Эти симуляции стали самыми ресурсоемкими моделями звездной конвекции и внутренних волн на сегодняшний день.
Открытие имеет значение не только для понимания эволюции звезд, но и для прогноза будущего нашего собственного светила. Солнце неизбежно превратится в красного гиганта через несколько миллиардов лет, и новые данные позволяют заглянуть в этот процесс. Кроме того, разработанные вычислительные методы могут найти применение в моделировании сложных потоков в океанах, атмосферах и даже в кровеносной системе человека. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.
