Avanços recentes na supercomputação permitem aos cientistas resolver problemas de longa data na astronomia. Os investigadores têm tentado compreender porque é que a composição química das superfícies das gigantes vermelhas muda à medida que estas estrelas evoluem.
Durante anos, os cientistas têm lutado para relacionar o que acontece no interior das estrelas gigantes vermelhas com o que é observado nas suas superfícies. As reações nucleares no núcleo alteram a composição interna da estrela, mas uma camada estável separa esta região do envelope convectivo externo. Ainda não está claro como a matéria atravessa essa barreira e chega à superfície.
Em um novo estudo publicado em astronomia naturalPesquisadores do Centro de Pesquisa em Astronomia (ARC) da Universidade de Victoria (UVic) e da Universidade de Minnesota agora têm a resposta.
A rotação estelar impulsiona a mistura elementar
O fator chave é a rotação da estrela.
“Através de simulações 3D de alta resolução, conseguimos determinar o impacto da rotação destas estrelas na capacidade dos elementos atravessarem a barreira,” disse Simon Blouin, investigador principal e investigador de pós-doutoramento na Universidade de Victoria. “A rotação estelar é crucial e fornece uma explicação natural para as assinaturas químicas observadas em estrelas gigantes vermelhas típicas. Esta descoberta é mais um passo na compreensão de como as estrelas evoluem.”
Os cientistas sabem há muito tempo que, quando uma estrela como o Sol fica sem hidrogénio no seu núcleo, expande-se dramaticamente e torna-se numa gigante vermelha, que pode expandir-se até 100 vezes o seu tamanho original. Desde a década de 1970, os astrônomos detectaram mudanças na química da superfície durante esta fase, incluindo mudanças na proporção de carbono-12 para carbono-13. Estas mudanças sugerem que o material das profundezas da estrela deve ser transportado para fora, mas o mecanismo exato ainda não foi comprovado.
“Sabíamos que as ondas internas geradas por movimentos agitados no envelope convectivo poderiam passar através desta barreira, mas simulações anteriores descobriram que estas ondas transportavam muito pouco material”, explicou Bruin. “Conseguimos mostrar que a rotação da estrela amplifica grandemente a eficiência com que estas ondas misturam material através da barreira, na medida em que corresponde às mudanças observadas na composição da superfície.”
Blouin e seus colegas descobriram que a rotação pode aumentar as taxas de mistura em mais de 100 vezes em comparação com estrelas não rotativas. A rotação mais rápida resulta em uma mistura mais intensa. Uma vez que o nosso Sol acabará por se tornar uma gigante vermelha, estas descobertas também fornecem informações sobre a sua evolução futura.
Simulação avançada revela processos ocultos
Para descobrir este processo, a equipa baseou-se em simulações hidrodinâmicas, que simulam como a matéria flui dentro das estrelas em três dimensões. Estas simulações são extremamente complexas e requerem sistemas computacionais poderosos, e esta descoberta só foi possível com a ajuda dos recentes avanços na supercomputação.
“Até recentemente, embora se pensasse que a rotação estelar era parte da solução para este puzzle, o poder computacional limitado impediu-nos de testar esta hipótese quantitativamente,” disse Falk Herwig, investigador principal e diretor da ARC. “Estas simulações permitem-nos descobrir pequenos efeitos para determinar o que realmente está a acontecer, ajudando-nos a compreender as nossas observações.”
Os pesquisadores usaram recursos de computação do Texas Advanced Computing Center da Universidade do Texas em Austin e do cluster de supercomputação Trillium da SciNet da Universidade de Toronto. Lançado em agosto de 2025, o Trillium é um dos sistemas mais poderosos disponíveis no Canadá para simulações acadêmicas em grande escala e faz parte da Canadian Digital Research Alliance. Seu poder de processamento aprimorado desempenha um papel vital na realização do trabalho.
“Fomos capazes de descobrir um novo processo de mistura estelar apenas devido ao enorme poder computacional da nova máquina Trillium”, disse Herwig. “Esta é a simulação computacionalmente mais cara de convecção estelar e ondas de gravidade interna até hoje.”
Implicações mais amplas e pesquisas futuras
Os métodos utilizados neste estudo vão além da astrofísica. Os mesmos métodos computacionais podem ajudar os cientistas a compreender melhor o movimento dos fluidos em muitos sistemas, incluindo correntes oceânicas, padrões atmosféricos e fluxo sanguíneo. Herwig está colaborando com pesquisadores nessas áreas para construir ferramentas e infraestrutura compartilhadas para simulações em grande escala.
Blouin planeja continuar explorando como a rotação estelar afeta diferentes tipos de estrelas. Trabalhos futuros examinarão como os diferentes modos rotacionais afetam a eficiência da mistura e se processos semelhantes ocorrem em outros estágios da evolução estelar.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia (NSERC), pela National Science Foundation (NSF) e pelo Departamento de Energia dos EUA.
