Avanços recentes em supercomputadores permitiram que os cientistas abordassem uma questão de longa data na astronomia. Os investigadores têm tentado compreender porque é que a composição química na superfície das gigantes vermelhas muda à medida que estas estrelas evoluem.
Durante muitos anos, os cientistas tentaram relacionar o que está acontecendo nas profundezas da gigante vermelha com o que é observado em sua superfície. As reações nucleares no núcleo alteram a composição interna da estrela, mas uma camada estável separa esta região da camada convectiva externa. Ainda não está claro como o material consegue superar essa barreira e chegar à superfície.
Em um novo estudo publicado em Astronomia da naturezapesquisadores do Centro de Pesquisa Astronômica (ARC) da Universidade de Victoria (UVic) e da Universidade de Minnesota encontraram a resposta.
A rotação das estrelas controla a mistura dos elementos
O fator chave é a rotação da estrela.
“Usando simulações 3D de alta resolução, fomos capazes de determinar o efeito da rotação destas estrelas na capacidade dos elementos de atravessar a barreira”, diz Simon Blouen, investigador principal e bolseiro de pós-doutoramento da UVic. “A rotação estelar é crucial e fornece uma explicação natural para as assinaturas químicas observadas em gigantes vermelhas típicas. Esta descoberta é mais um passo em frente na compreensão de como as estrelas 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 astrónomos detectaram alterações na composição química da sua superfície durante esta fase, incluindo alterações na proporção de carbono-12 para carbono-13. Estas mudanças indicam que o material das profundezas da estrela deve ser transportado para fora, mas o mecanismo exato não foi confirmado.
“Sabíamos que as ondas internas geradas por movimentos turbulentos 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 que a rotação da estrela aumenta dramaticamente a eficácia com que estas ondas podem misturar material através da barreira, num grau consistente com as mudanças observadas na composição da superfície,” explicou Blouin.
Bloen e seus colegas descobriram que a rotação pode aumentar a taxa de mistura por um fator de mais de 100 em comparação com estrelas não rotativas. A rotação mais rápida resulta em uma mistura ainda mais forte. Uma vez que o nosso Sol acabará por se tornar uma gigante vermelha, estas descobertas também fornecem informações sobre a sua evolução futura.
Modelagem avançada revela processos ocultos
Para revelar este processo, a equipa baseou-se em simulações hidrodinâmicas, que simulam como o material flui dentro das estrelas em três dimensões. Essas simulações são extremamente complexas e requerem sistemas computacionais poderosos, tornando a descoberta possível apenas com os recentes avanços nos supercomputadores.
“Até recentemente, quando se pensava que a rotação da estrela era parte da solução para este puzzle, o poder computacional limitado impedia-nos de testar quantitativamente a hipótese,” afirma Falk Herwig, investigador principal e diretor do ARC. “Estas simulações permitem-nos detectar pequenos efeitos para determinar o que realmente está a acontecer, ajudando-nos a compreender as nossas observações”.
Os pesquisadores usaram os recursos computacionais do Texas Advanced Computing Center da Universidade do Texas em Austin e do cluster de supercomputadores Trillium da SciNet da Universidade de Toronto. Lançado em agosto de 2025, o Trillium é um dos sistemas mais poderosos disponíveis no Canadá para simulação acadêmica em larga escala e faz parte da Canadian Digital Research Alliance. Suas capacidades avançadas de processamento desempenharam um papel fundamental na segurança deste trabalho.
“Só conseguimos descobrir o novo processo de mistura de estrelas graças ao enorme poder computacional da nova máquina Trillium. Esta é a simulação computacionalmente mais intensiva de convecção estelar e ondas gravitacionais internas realizada até à data,” disse Herwig.
Impacto mais amplo e pesquisas futuras
Os métodos utilizados nesta pesquisa vão além da astrofísica. As mesmas abordagens computacionais podem ajudar os cientistas a compreender melhor o movimento dos fluidos em muitos sistemas, incluindo correntes oceânicas, estruturas atmosféricas e fluxo sanguíneo. Herwig colabora com pesquisadores nessas áreas para construir ferramentas e infraestrutura comuns para simulações em grande escala.
Blouen planeja continuar estudando como a rotação das estrelas afeta diferentes tipos de estrelas. Trabalhos futuros examinarão como diferentes 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.
