Những tiến bộ gần đây trong siêu máy tính đã giúp các nhà thiên văn giải đáp một bí ẩn lâu đời về red giant stars. Từ lâu, các nhà khoa học đã thắc mắc vì sao thành phần hóa học trên bề mặt những ngôi sao này lại thay đổi khi chúng già đi và giãn nở.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu chưa thể giải thích đầy đủ cách mà những thay đổi sâu bên trong một sao khổng lồ đỏ lại xuất hiện ở bề mặt. Các phản ứng hạt nhân trong lõi sao làm biến đổi thành phần hóa học bên trong. Tuy nhiên, một lớp ổn định ngăn cách vùng lõi với lớp đối lưu bên ngoài, tạo thành “rào cản” khiến vật chất khó di chuyển giữa hai khu vực này. Điều đó khiến các nhà khoa học không rõ bằng cách nào các nguyên tố từ bên trong có thể lên đến bề mặt.

Một nghiên cứu mới công bố trên Nature Astronomy của các nhà khoa học từ University of Victoria và University of Minnesota đã đưa ra câu trả lời.

Lời giải: sự quay của sao

“Bằng cách sử dụng các mô phỏng 3D độ phân giải cao, chúng tôi đã xác định được ảnh hưởng của sự quay của các ngôi sao đối với khả năng các nguyên tố vượt qua rào cản,” Simon Blouin, trưởng nhóm nghiên cứu và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại University of Victoria, cho biết. “Sự quay của sao là yếu tố then chốt và cung cấp lời giải tự nhiên cho các dấu hiệu hóa học quan sát được ở các sao khổng lồ đỏ điển hình. Đây là một bước tiến trong việc hiểu cách các ngôi sao tiến hóa.”

Quan sát sự thay đổi hóa học của sao

Các nhà thiên văn từ lâu đã biết rằng những ngôi sao giống Sun cuối cùng sẽ cạn kiệt hydro trong lõi. Khi đó, chúng phình to đáng kể và trở thành sao khổng lồ đỏ, có thể lớn gấp 100 lần kích thước ban đầu.

Từ những năm 1970, các nhà khoa học đã phát hiện những thay đổi rõ rệt trong thành phần hóa học bề mặt của các ngôi sao này. Một ví dụ điển hình là sự giảm tỷ lệ carbon-12 so với carbon-13. Những thay đổi này cho thấy vật chất từ sâu bên trong phải somehow di chuyển lên bề mặt, nhưng trước đây chưa ai xác nhận được cơ chế vật lý cụ thể.

Blouin giải thích: “Chúng tôi biết rằng các sóng nội sinh, được tạo ra bởi chuyển động khuấy trộn trong lớp đối lưu, có thể đi xuyên qua lớp rào cản. Nhưng các mô phỏng trước đây cho thấy chúng chỉ vận chuyển rất ít vật chất. Chúng tôi đã chứng minh rằng sự quay của sao làm tăng mạnh hiệu quả trộn vật chất của các sóng này, đến mức phù hợp với những thay đổi hóa học quan sát được.”

Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng quá trình trộn trong các mô hình sao quay có thể diễn ra nhanh hơn hơn 100 lần so với các sao không quay. Các mô phỏng cũng cho thấy tốc độ quay càng lớn thì sự trộn càng mạnh. Vì sao khổng lồ đỏ là giai đoạn tương lai của Mặt Trời, phát hiện này cung cấp manh mối mới về cách Mặt Trời sẽ tiến hóa trong hàng tỷ năm tới.

Vai trò quan trọng của siêu máy tính

Để đạt được kết quả này, nhóm đã thực hiện các mô phỏng thủy động lực học – những mô hình 3D lớn theo dõi sự chuyển động của vật chất trong sao và đòi hỏi năng lực tính toán khổng lồ.

“Trước đây, dù người ta nghi ngờ sự quay của sao là chìa khóa giải quyết vấn đề, nhưng khả năng tính toán hạn chế khiến chúng tôi không thể kiểm chứng định lượng giả thuyết,” Falk Herwig, trưởng dự án và giám đốc trung tâm nghiên cứu, cho biết. “Các mô phỏng này giúp chúng tôi phân tích những hiệu ứng nhỏ để hiểu rõ điều gì thực sự xảy ra.”

Nhóm đã sử dụng các hệ thống tính toán tại Texas Advanced Computing Center (Đại học Texas tại Austin) và cụm siêu máy tính Trillium tại University of Toronto.

Trillium, ra mắt vào tháng 8 năm 2025, là một trong những siêu máy tính mạnh nhất tại Canada dành cho các mô phỏng khoa học quy mô lớn, thuộc mạng lưới do Digital Research Alliance of Canada hỗ trợ. Năng lực tính toán vượt trội của hệ thống này đóng vai trò then chốt trong nghiên cứu.

“Chúng tôi chỉ có thể khám phá cơ chế trộn mới trong sao nhờ sức mạnh tính toán khổng lồ của Trillium. Đây là những mô phỏng đối lưu và sóng trọng lực bên trong sao có độ phức tạp tính toán cao nhất từng được thực hiện,” Herwig nói.

Ứng dụng rộng hơn và nghiên cứu tương lai

Các kỹ thuật mô phỏng đối lưu trong sao có thể áp dụng rộng rãi để hiểu các dòng chảy trong tự nhiên—từ dòng hải lưu, khí quyển cho đến dòng máu trong cơ thể. Herwig cũng đang hợp tác với các nhà nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực để phát triển phương pháp và hạ tầng chung cho các mô phỏng quy mô lớn.

Blouin dự định tiếp tục nghiên cứu về sự quay của sao. Dù nghiên cứu hiện tại tập trung vào một loại sao cụ thể, anh muốn mở rộng sang các loại sao khác, tìm hiểu cách các kiểu quay khác nhau ảnh hưởng đến hiệu quả trộn vật chất, và liệu sự quay có làm tăng cường quá trình trộn sóng ở các giai đoạn tiến hóa khác của sao hay không.