切入红巨星模拟内部。旋转的红色图案揭示了外层对流包层中的湍流搅动运动，而较为平静的蓝色内部则显示了以波浪为主导的障碍层，旋转极大地增强了混合。图片来源：UVic

超级计算机的进步使得破解红巨星表面化学成分随演化变化的长久谜题成为可能

长期以来，天文学家一直不确定红巨星核心的核聚变如何导致其化学成分的改变，并且这些核心变化与表面化学成分的变动之间的关联到底是怎样的。一个稳定层将星体内部与外层可变层隔开，元素如何跨越这层一直是未解之谜。

在《Nature Astronomy》发表的一篇论文中，维多利亚大学（UVic）天文学研究中心（ARC）与明尼苏达大学的研究团队解决了这一难题。答案是：星体自转。

“通过高分辨率 3D 模拟，我们能够识别出星体自转对元素跨越屏障层的影响。” UVic 研究员兼博士后 Simon Blouin 如是说。 “星体自转是关键，并为典型红巨星所观测到的化学特征提供了自然解释。这一发现是理解星体演化进程的又一重要步骤。”

人们早已知道，当类太阳恒星耗尽核心氢后，它们会膨胀成直径可达原来的 100 倍的红巨星。自 1970 年代起，科学家们在红巨星膨胀过程中观察到其表面成分的变化，包括碳-12 与碳-13 比值的下降。 这些成分变化只能通过核心核聚变区向表面输送物质来解释，但到目前为止，研究者尚未能够证明这一输送机制。

“我们知道，产生于对流包层的搅动运动所产生的内部波能够穿过这层屏障，但以往的模拟发现这些波只能输送极少量的物质。我们能够证明，星体自转显著放大了这些波跨越屏障混合物质的效率，达到与表面成分观测变化相匹配的程度。” UVic 博士后 Simon Blouin 如是说。

Blouin 及其团队发现，所研究星体的混合速率可超过非自转星体的 100 倍，且速率随自转速率的加快而增加。红巨星代表了我们自身太阳最终会达到的晚期演化阶段，使这项研究对理解太阳未来具有重要意义。

为实现这一突破，研究人员开展了水动力学模拟——大型三维模拟，模拟星体内物质如何运动。由于计算量巨大，需要最先进的超级计算机，正是新型计算资源使这项发现成为可能。

“直到最近，尽管星体自转被认为是破解这一难题的一部分，但受限的计算能力阻碍了我们对该假设的定量检验。” ARC 负责人兼主任 Falk Herwig 如是说。 “这些模拟让我们能够提炼出微小效应，确定实际发生了什么，从而帮助我们理解观测结果。”

团队使用了德克萨斯大学奥斯汀分校的 Texas Advanced Computing Center 与多伦多大学 SciNet 的新 Trillium 超级计算集群进行模拟。

Trillium 于 去年 8 月投入运行，是加拿大用于大规模并行模拟的最强大超级计算机之一，也是加拿大数字研究联盟（Digital Research Alliance of Canada）多台国家级超级计算机之一。其增强的计算能力是完成此研究的关键。

“正是新 Trillium 机器的巨大计算力，使我们能够发现新的星体混合过程。这是迄今为止最耗费计算资源的星体对流与内部重力波模拟。” Falk Herwig，ARC 物理与天文学教授兼主任，如是说。

模拟星体对流的计算技术也广泛适用于理解自然界中的流动——从海洋环流、气候动力学到血液流动。Herwig 正在与跨领域研究者合作，开发共享方法和基础设施，以推进大规模流动模拟。

Blouin 计划继续研究星体自转。虽然本研究聚焦一种特定类型的星体，他有兴趣探索其他星体的情况，包括不同自转剖面如何影响星体混合效率，以及自转是否能在其他星体类型和演化阶段进一步增强波混合。

勇编撰自论文"Wave-driven mixing enhanced by rotation in red giant branch stars".Nature Astronomy.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。