اختصاصی دیدبان شمال:
به گزارش دیدبان شمال از اینترستینگ انجینیرینگ شبیهسازیهای ابررایانهای به ستارهشناسان کمک کردهاند تا معمای چند دههای در مورد ستارگان غول سرخ را حل کنند.
محققان میگویند چرخش ستارهای حلقه گمشدهای است که توضیح میدهد چگونه عناصر شیمیایی از اعماق درون این ستارهها با افزایش سن آنها به سطح آنها میرسند.
سالهاست که دانشمندان در تلاشند تا بفهمند چگونه تغییرات در ترکیب شیمیایی در هسته یک غول سرخ با تغییرات مشاهده شده در سطح مرتبط است.
یک لایه داخلی پایدار به عنوان مانعی بین هسته در حال سوختن هستهای و پوشش همرفتی بیرونی عمل میکند. چگونگی عبور عناصر از این مانع هنوز مشخص نیست.
در یک مطالعه جدید، محققان مرکز تحقیقات نجوم دانشگاه ویکتوریا و دانشگاه مینه سوتا از شبیهسازیهای سهبعدی با وضوح بالا برای حل این مشکل استفاده کردند. نتیجهگیری آنها مستقیم است: چرخش نقش تعیینکنندهای دارد.
سایمون بلوین، محقق ارشد و دانشجوی فوق دکترا در UVic میگوید: «با استفاده از شبیهسازیهای سهبعدی با وضوح بالا، توانستیم تأثیر چرخش این ستارهها را بر توانایی عناصر برای عبور از این مانع شناسایی کنیم.».
«چرخش ستارهای بسیار مهم است و توضیحی طبیعی برای نشانههای شیمیایی مشاهدهشده در غولهای قرمز معمولی ارائه میدهد. این کشف گامی دیگر در درک چگونگی تکامل ستارگان است.».
دانشمندان میدانند که وقتی ستارگان خورشیدمانند هیدروژن موجود در هسته خود را تمام میکنند، به طرز چشمگیری منبسط میشوند و به غولهای قرمزی تا ۱۰۰ برابر اندازه اولیه خود تبدیل میشوند.
از دهه ۱۹۷۰، ستارهشناسان در این مرحله تغییراتی را در شیمی سطح مشاهده کردهاند، از جمله کاهش نسبت کربن-۱۲ به کربن-۱۳.
این تغییرات نشان میدهد که مواد از اعماق ستاره به نحوی به سمت بیرون حرکت میکنند. تاکنون، مکانیسم فیزیکی پشت این انتقال تأیید نشده بود.
چرخش، مانع داخلی را میشکند
پیش از این گمان میرفت که امواج گرانشی داخلی که توسط حرکات چرخشی در پوشش بیرونی ایجاد میشوند، نقشی داشته باشند. این امواج میتوانند از لایه مانع پایدار عبور کنند. با این حال، شبیهسازیهای قبلی نشان داد که آنها ماده بسیار کمی را جابجا میکنند.
مدلهای جدید نشان میدهند که چرخش، قدرت اختلاط این امواج را به طور قابل توجهی افزایش میدهد.
«ما میدانستیم که امواج داخلی، که توسط حرکات چرخشی در پوشش همرفتی ایجاد میشوند، میتوانند از این لایه مانع عبور کنند، اما شبیهسازیهای قبلی نشان داد که این امواج مواد بسیار کمی را منتقل میکنند. ما توانستیم نشان دهیم که چرخش ستاره به طور چشمگیری میزان ترکیب مؤثر مواد در سراسر مانع توسط این امواج را تقویت میکند، تا حدی که با تغییرات مشاهده شده در ترکیب سطح مطابقت دارد.»
به گفتهی این تیم، نرخ اختلاط در ستارهی مدلسازیشده بیش از ۱۰۰ برابر بیشتر از ستارههای غیرچرخشی بود، و چرخش سریعتر منجر به اختلاط قویتر میشد.
از آنجا که خورشید ما در نهایت به یک غول سرخ تبدیل خواهد شد، این یافتهها بینشی از آیندهی دور آن ارائه میدهند.
ابررایانهها فیزیک جدید را کشف میکنند
این موفقیت بر شبیهسازیهای هیدرودینامیکی در مقیاس بزرگ متکی بود که نحوه حرکت مواد ستارهای را در سه بعد مدلسازی میکند. این محاسبات از نظر محاسباتی فشرده هستند و اخیراً امکانپذیر شدهاند.
فالک هرویگ، محقق اصلی و مدیر ARC، میگوید: «تا همین اواخر، در حالی که تصور میشد چرخش ستارگان بخشی از حل این معما است، تواناییهای محاسباتی محدود ما را از آزمایش کمی این فرضیه باز میداشت.».
«این شبیهسازیها به ما اجازه میدهند تا اثرات کوچک را بررسی کنیم تا مشخص شود که واقعاً چه اتفاقی میافتد و به ما در درک مشاهداتمان کمک میکند.».
این تیم از منابع مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس و خوشه ابررایانه جدید Trillium در SciNet در دانشگاه تورنتو استفاده کرد. Trillium که در آگوست 2025 راهاندازی شد، قدرت محاسباتی گسترشیافته مورد نیاز برای تکمیل شبیهسازیها را فراهم کرد.
«ما تنها به دلیل قدرت محاسباتی عظیم دستگاه جدید تریلیوم توانستیم یک فرآیند اختلاط ستارهای جدید را کشف کنیم. اینها از نظر محاسباتی فشردهترین شبیهسازیهای همرفت ستارهای و موج گرانشی داخلی هستند که تا به امروز انجام شدهاند.».
فراتر از تکامل ستارهای، تکنیکهای محاسباتی توسعهیافته برای این مطالعه میتواند به محققان در مدلسازی جریانهای پیچیده در اقیانوسها، جو و حتی گردش خون کمک کند.
این مطالعه در مجله Nature Astronomy منتشر شده است.
