Các mô phỏng bằng siêu máy tính cho thấy các ngôi sao quay tròn trộn lẫn các nguyên tố bên trong của chúng hiệu quả hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây. Nguồn: AI/ScienceDaily.com

Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực siêu máy tính đã cho phép các nhà khoa học giải quyết một câu hỏi lâu đời trong thiên văn học, trong đó có lý do tại sao thành phần hóa học trên bề mặt của các ngôi sao khổng lồ đỏ lại thay đổi khi những ngôi sao này tiến hóa.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Nature Astronomy, các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Nghiên cứu Thiên văn học (ARC) thuộc Đại học Victoria (UVic) và Đại học Minnesota đã tìm ra câu trả lời.

Yếu tố then chốt là sự quay của các ngôi sao

“Sử dụng mô phỏng 3D độ phân giải cao, chúng tôi đã có thể xác định tác động của sự quay của các ngôi sao này đến khả năng các nguyên tố vượt qua rào cản,” Simon Blouin, Trưởng nhóm Nghiên cứu và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại UVic cho biết. “Sự quay của sao rất quan trọng và cung cấp lời giải thích tự nhiên cho các dấu hiệu hóa học quan sát được ở các sao khổng lồ đỏ điển hình. Phát hiện này là một bước tiến nữa trong việc hiểu cách các ngôi sao tiến hóa.”

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng những ngôi sao như Mặt Trời của chúng ta giãn nở mạnh mẽ khi cạn kiệt hydro trong lõi, trở thành những sao khổng lồ đỏ có thể lớn gấp 100 lần kích thước ban đầu. Từ những năm 1970, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra những thay đổi trong thành phần hóa học bề mặt của chúng trong giai đoạn này, bao gồm sự thay đổi tỷ lệ carbon-12 so với carbon-13. Những thay đổi này cho thấy vật chất từ ​​sâu bên trong ngôi sao phải được vận chuyển ra ngoài, nhưng cơ chế chính xác vẫn chưa được xác nhận.

"Chúng tôi biết rằng sóng nội bộ, được tạo ra bởi chuyển động xoáy trong lớp vỏ đối lưu, có thể xuyên qua lớp chắn này, nhưng các mô phỏng trước đây cho thấy những sóng này vận chuyển rất ít vật chất. Chúng tôi đã chứng minh được rằng sự quay của ngôi sao khuếch đại đáng kể hiệu quả trộn lẫn vật chất qua lớp chắn, đến mức phù hợp với những thay đổi quan sát được về thành phần bề mặt," Blouin giải thích.

Blouin và các đồng nghiệp phát hiện ra rằng sự quay có thể làm tăng tốc độ trộn lẫn lên hơn 100 lần so với các ngôi sao không quay. Sự quay nhanh hơn dẫn đến sự trộn lẫn mạnh mẽ hơn nữa. Vì Mặt Trời của chúng ta cuối cùng sẽ trở thành một sao khổng lồ đỏ, những phát hiện này cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự tiến hóa trong tương lai của nó.

Mô phỏng nâng cao hé lộ các quy trình ẩn giấu

Để khám phá quá trình này, nhóm nghiên cứu đã dựa vào các mô phỏng thủy động lực học, mô hình hóa cách vật chất chảy bên trong các ngôi sao trong không gian ba chiều. Các mô phỏng này cực kỳ phức tạp và đòi hỏi các hệ thống máy tính mạnh mẽ, do đó, khám phá này chỉ có thể thực hiện được nhờ những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực siêu máy tính.

"Cho đến gần đây, mặc dù sự quay của các ngôi sao được cho là một phần giúp giải quyết vấn đề nan giải này, nhưng khả năng tính toán hạn chế đã ngăn cản chúng ta kiểm chứng giả thuyết một cách định lượng," Falk Herwig, Trưởng nhóm Nghiên cứu và Giám đốc ARC, cho biết. "Những mô phỏng này cho phép chúng ta phân tích các hiệu ứng nhỏ để xác định điều gì thực sự xảy ra, giúp chúng ta hiểu rõ hơn các quan sát của mình."

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tài nguyên tính toán từ Trung tâm Tính toán Cao cấp Texas tại Đại học Texas ở Austin và cụm siêu máy tính Trillium tại SciNet thuộc Đại học Toronto. Trillium, được ra mắt vào tháng 8/2025, là một trong những hệ thống mạnh nhất hiện có ở Canada dành cho các mô phỏng học thuật quy mô lớn và là một phần của Liên minh Nghiên cứu Kỹ thuật số Canada. Khả năng xử lý được nâng cao của nó đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ công trình nghiên cứu này.

"Chúng tôi chỉ có thể phát hiện ra một quá trình trộn sao mới nhờ vào sức mạnh tính toán khổng lồ của cỗ máy Trillium mới. Đây là những mô phỏng đối lưu sao và sóng hấp dẫn nội bộ đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán nhất được thực hiện cho đến nay," Herwig nói.

Tác động rộng hơn và nghiên cứu trong tương lai

Các phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu này không chỉ giới hạn trong lĩnh vực vật lý thiên văn. Các phương pháp tính toán tương tự có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về chuyển động chất lỏng trong nhiều hệ thống, bao gồm dòng hải lưu, mô hình khí quyển và dòng chảy máu. Herwig đang hợp tác với các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực này để xây dựng các công cụ và cơ sở hạ tầng dùng chung cho các mô phỏng quy mô lớn.

Blouin dự định tiếp tục nghiên cứu xem sự quay của các ngôi sao ảnh hưởng đến các loại sao khác nhau như thế nào. Họ sẽ xem xét các kiểu quay khác nhau ảnh hưởng đến hiệu quả trộn lẫn ra sao và liệu các quá trình tương tự có xảy ra ở các giai đoạn tiến hóa sao khác hay không.