Avanços recentes na supercomputação permitiram que os cientistas abordassem questões de longa data na astronomia. Os investigadores estão a tentar compreender porque é que a composição química da superfície das estrelas gigantes vermelhas muda à medida que estas estrelas evoluem.
Durante anos, os cientistas têm lutado para relacionar o que acontece nas profundezas de uma gigante vermelha com o que é observado na sua superfície. As reações nucleares no núcleo alteram a estrutura interna da estrela, mas uma camada estável separa esta região do envelope convectivo externo. Ainda não está claro como o material pode cruzar essa barreira e chegar à superfície.
Um novo estudo publicado em Astronomia da NaturezaPesquisadores do Centro de Pesquisa Astronomia (ARC) da Universidade de Victoria (UVic) e da Universidade de Minnesota encontraram agora a resposta.
Mistura de elemento de acionamento de rotação estelar
O fator chave é a rotação estelar.
“Usando simulações 3D de alta resolução, fomos capazes de identificar o efeito que a rotação destas estrelas estava tendo na capacidade do material de superar a barreira”, disse Simon Blouin, pesquisador principal e pesquisador de pós-doutorado na UVic. “A rotação estelar é crucial e fornece uma explicação natural para as assinaturas químicas observadas nas gigantes vermelhas comuns. Esta descoberta é mais um passo em frente na compreensão de como evoluem.”
Os cientistas sabem há muito tempo que estrelas como o nosso Sol se expandem dramaticamente quando ficam sem hidrogénio nos seus núcleos, tornando-se gigantes vermelhas que podem crescer até 100 vezes o seu tamanho original. Desde a década de 1970, os astrônomos detectaram mudanças na química da superfície dessas fases, incluindo mudanças na proporção de carbono-12 para carbono-13. Estas mudanças indicam que o material deve ser transportado para fora das profundezas da estrela, mas o mecanismo exato não foi confirmado.
“Sabíamos que as ondas internas, geradas por movimentos agitados no envelope convectivo, eram capazes de passar através desta camada de barreira, mas simulações anteriores mostraram que estas ondas transportam muito pouco material. Conseguimos mostrar quão eficazmente a rotação da estrela se expande dramaticamente ao combinar as mudanças de superfície associadas à barreira anterior, explica Blouin.
Blouin e seus colegas descobriram que a rotação pode aumentar a taxa de mistura em mais de 100 vezes em comparação com estrelas em rotação. A rotação rápida leva a uma mistura ainda mais forte. Como o nosso Sol acabará por se tornar uma gigante vermelha, estes resultados também fornecem informações sobre a sua evolução futura.
Simulação avançada revela processos ocultos
Para desvendar este processo, a equipa baseou-se em simulações hidrodinâmicas, que modelam como o material flui dentro da estrela em três dimensões. Estas simulações são altamente complexas e requerem sistemas de computação poderosos, que apenas os avanços recentes na supercomputação tornaram possíveis.
“Até recentemente, quando se pensava que a rotação estelar era parte da solução para este problema, o poder computacional limitado impedia-nos de testar a hipótese quantitativamente,” disse Falk Herwig, investigador principal e diretor do ARC. “Estas simulações ajudam-nos a compreender as nossas observações, permitindo-nos descobrir pequenos efeitos para determinar o que realmente acontece.”
Os pesquisadores usaram recursos de computação do Texas Advanced Computing Center da Universidade do Texas em Austin e do Trillium Supercomputing Cluster da Synet da Universidade de Toronto. Trillium, lançado em agosto de 2025, é um dos sistemas mais poderosos disponíveis para simulação acadêmica em larga escala no Canadá e faz parte da Aliança de Pesquisa Digital do Canadá. Seu maior poder de processamento desempenhou um papel importante na viabilização dessa tarefa.
“Fomos capazes de descobrir um novo processo de mistura estelar graças ao imenso poder de computação da nova máquina Trillium. Estas são as simulações de circulação estelar e de ondas gravitacionais internas mais intensivas em termos computacionais já realizadas”, disse Herwig.
Implicações amplas e pesquisas futuras
Os métodos utilizados neste estudo vão além da astrofísica. A mesma abordagem computacional pode 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 desenvolver 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 as mudanças nos padrões de rotação 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.
