Los avances recientes en supercomputación han permitido a los científicos abordar cuestiones de larga data en astronomía. Los investigadores están tratando de comprender por qué la composición química de la superficie de las estrellas gigantes rojas cambia a medida que estas estrellas evolucionan.
Durante años, los científicos han luchado por conectar lo que se observa en la superficie con lo que sucede en el interior de una gigante roja. Las reacciones nucleares en el núcleo cambian la estructura interna de la estrella, pero una capa estable separa esta región de la envoltura convectiva exterior. Aún no está claro cómo el material puede cruzar esta barrera y llegar a la superficie.
Un nuevo estudio publicado en Naturaleza AstronomíaInvestigadores del Centro de Investigación Astronómica (ARC) de la Universidad de Victoria (UVic) y de la Universidad de Minnesota han encontrado la respuesta.
Mezcla de elementos impulsores de rotación estelar
El factor clave es la rotación estelar.
“Utilizando simulaciones 3D de alta resolución, pudimos identificar el efecto que la rotación de estas estrellas estaba teniendo en la capacidad del material para superar la barrera”, afirma Simon Blouin, investigador principal y becario postdoctoral de la UVic. “La rotación estelar es crucial y proporciona una explicación natural para las firmas químicas observadas en las gigantes rojas comunes. Este descubrimiento es otro paso adelante en la comprensión de cómo evolucionan”.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que estrellas como nuestro Sol se expanden dramáticamente cuando se quedan sin hidrógeno en sus núcleos, convirtiéndose en gigantes rojas que pueden crecer hasta 100 veces su tamaño original. Desde la década de 1970, los astrónomos han detectado cambios en la química de la superficie de estas fases, incluidos cambios en la proporción de carbono-12 a carbono-13. Estos cambios indican que el material debe ser transportado desde lo más profundo de la estrella, pero el mecanismo exacto no ha sido confirmado.
“Sabíamos que las ondas internas, generadas por movimientos de agitación en la envoltura convectiva, podían atravesar esta capa de barrera, pero simulaciones anteriores mostraron que estas ondas transportan muy poco material. Pudimos mostrar con qué eficacia la rotación de la estrella se expande dramáticamente al igualar los cambios de superficie asociados con la barrera anterior”, explica Blouin.
Blouin y sus colegas descubrieron que la rotación puede aumentar la velocidad de mezcla más de 100 veces en comparación con las estrellas en rotación. La rotación rápida conduce a una mezcla aún más fuerte. Dado que nuestro Sol eventualmente se convertirá en una gigante roja, estos resultados también brindan información sobre su evolución futura.
La simulación avanzada revela procesos ocultos
Para desentrañar este proceso, el equipo se basó en simulaciones hidrodinámicas, que modelan cómo fluye el material dentro de la estrella en tres dimensiones. Estas simulaciones son muy complejas y requieren potentes sistemas informáticos, que sólo los recientes avances en supercomputación han hecho posibles.
“Hasta hace poco, cuando se pensaba que la rotación estelar era parte de la solución a este problema, la potencia informática limitada nos impedía probar la hipótesis cuantitativamente”, dijo Falk Herwig, investigador principal y director del ARC. “Estas simulaciones nos ayudan a comprender nuestras observaciones, permitiéndonos descubrir pequeños efectos para determinar qué sucede realmente”.
Los investigadores utilizaron recursos informáticos del Centro de Computación Avanzada de Texas de la Universidad de Texas en Austin y del Trillium Supercomputing Cluster de Synet de la Universidad de Toronto. Trillium, lanzado en agosto de 2025, es uno de los sistemas más potentes disponibles para simulación académica a gran escala en Canadá y forma parte de la Alianza de Investigación Digital de Canadá. Su mayor poder de procesamiento ha jugado un papel importante al permitir esta tarea.
“Pudimos descubrir un nuevo proceso de mezcla estelar gracias a la inmensa potencia informática de la nueva máquina Trillium. Se trata de las simulaciones de circulación estelar y de ondas gravitacionales internas más intensivas en términos computacionales jamás realizadas”, dijo Herwig.
Amplias implicaciones e investigaciones futuras.
Los métodos utilizados en este estudio van más allá de la astrofísica. El mismo enfoque computacional puede ayudar a los científicos a comprender mejor el movimiento de los fluidos en muchos sistemas, incluidas las corrientes oceánicas, los patrones atmosféricos y el flujo sanguíneo. Herwig está colaborando con investigadores en estos campos para desarrollar herramientas e infraestructura compartidas para simulaciones a gran escala.
Blouin planea seguir explorando cómo la rotación estelar afecta a los diferentes tipos de estrellas. El trabajo futuro examinará cómo los cambios en los patrones de rotación afectan la eficiencia de la mezcla y si ocurren procesos similares en otras etapas de la evolución estelar.
Esta investigación fue apoyada por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales (NSERC), la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y el Departamento de Energía de EE. UU.
