슈퍼컴퓨터가 거대 별에 관한 50년 된 미스터리를 풀었습니다.

수년 동안 과학자들은 적색 거성 내부 깊은 곳에서 일어나는 일과 표면에서 관찰되는 일을 연결하려고 애썼습니다. 중심핵의 핵반응은 별의 내부 구성을 변화시키지만 안정적인 층이 이 영역을 외부 대류 봉투와 분리합니다. 물질이 어떻게 이 장벽을 넘어 표면에 도달하는지 불분명했습니다.

에 발표된 새로운 연구에서 자연 천문학빅토리아 대학교(UVic) 천문학 연구 센터(ARC)와 미네소타 대학교의 연구원들이 이제 그 답을 찾았습니다.

항성 회전으로 인해 요소 혼합이 이루어집니다.

핵심 요소는 항성 회전이다.

UVic의 수석 연구원이자 박사후 연구원인 Simon Blouin은 “고해상도 3D 시뮬레이션을 사용하여 이러한 별의 회전이 요소가 장벽을 통과하는 능력에 미치는 영향을 확인할 수 있었습니다.”라고 말했습니다. “항성의 회전은 매우 중요하며 전형적인 적색 거성에서 관찰된 화학적 특징에 대한 자연스러운 설명을 제공합니다. 이번 발견은 별이 어떻게 진화하는지 이해하는 데 있어 또 다른 진전입니다.”

과학자들은 우리 태양과 같은 별이 중심부의 수소가 고갈되면 극적으로 팽창하여 원래 크기의 최대 100배까지 성장할 수 있는 적색 거성이 된다는 것을 오랫동안 알고 있었습니다. 1970년대부터 천문학자들은 이 단계에서 탄소-12 대 탄소-13 비율의 변화를 포함하여 표면 화학의 변화를 감지했습니다. 이러한 변화는 별 내부 깊은 곳의 물질이 외부로 운반되어야 함을 암시하지만 정확한 메커니즘은 확인되지 않았습니다.

Blouin은 “우리는 대류 봉투의 휘젓기 운동에 의해 생성된 내부 파동이 이 장벽층을 통과할 수 있다는 것을 알고 있었지만 이전 시뮬레이션에서는 이러한 파동이 물질을 거의 전달하지 않는다는 것을 발견했습니다. 우리는 별의 회전이 표면 구성의 관찰된 변화와 일치하는 정도로 이러한 파동이 장벽을 통해 물질을 얼마나 효과적으로 혼합할 수 있는지 극적으로 증폭한다는 것을 보여줄 수 있었습니다”라고 Blouin은 설명했습니다.

Blouin과 그의 동료들은 회전이 회전하지 않는 별에 비해 혼합 속도를 100배 이상 높일 수 있다는 것을 발견했습니다. 회전이 빨라지면 혼합이 더욱 강력해집니다. 우리 태양은 결국 적색 거성이 될 것이기 때문에 이러한 발견은 또한 미래의 진화에 대한 통찰력을 제공합니다.

고급 시뮬레이션을 통해 숨겨진 프로세스 발견

이 과정을 밝혀내기 위해 팀은 별 내부의 물질 흐름을 3차원으로 모델링하는 유체 역학 시뮬레이션에 의존했습니다. 이러한 시뮬레이션은 매우 복잡하고 강력한 컴퓨팅 시스템이 필요하므로 최근 슈퍼컴퓨팅의 발전이 있어야만 발견이 가능합니다.

ARC의 수석 연구원이자 이사인 Falk Herwig는 “최근까지 항성 회전이 이 난제를 해결하는 일부라고 생각되었지만 제한된 컴퓨팅 능력으로 인해 가설을 정량적으로 테스트할 수 없었습니다.”라고 말했습니다. “이러한 시뮬레이션을 통해 작은 효과를 알아내고 실제로 무슨 일이 일어나는지 확인할 수 있어 관찰 내용을 이해하는 데 도움이 됩니다.”

연구원들은 오스틴에 있는 텍사스 대학의 텍사스 고급 컴퓨팅 센터와 토론토 대학의 SciNet에 있는 Trillium 슈퍼컴퓨팅 클러스터의 컴퓨팅 리소스를 사용했습니다. 2025년 8월에 출시된 Trillium은 대규모 학술 시뮬레이션을 위해 캐나다에서 사용할 수 있는 가장 강력한 시스템 중 하나이며 캐나다 디지털 연구 연합(Digital Research Alliance of Canada)의 일부입니다. 향상된 처리 기능은 이 작업을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 했습니다.

“우리는 새로운 Trillium 시스템의 엄청난 컴퓨팅 성능 덕분에 새로운 항성 혼합 과정을 발견할 수 있었습니다. 이는 지금까지 수행된 계산상 가장 집약적인 항성 대류 및 내부 중력파 시뮬레이션입니다.”라고 Herwig는 말했습니다.

더 넓은 영향과 미래 연구

이 연구에 사용된 방법은 천체물리학을 넘어 확장되었습니다. 동일한 계산 접근 방식은 과학자들이 해류, 대기 패턴 및 혈류를 포함한 많은 시스템에서 유체 운동을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. Herwig는 이러한 분야의 연구자들과 협력하여 대규모 시뮬레이션을 위한 공유 도구와 인프라를 구축하고 있습니다.

Blouin은 항성 회전이 다양한 유형의 별에 어떻게 영향을 미치는지 계속해서 탐구할 계획입니다. 향후 연구에서는 다양한 회전 패턴이 혼합 효율성에 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 별 진화의 다른 단계에서도 유사한 과정이 발생하는지 여부를 조사할 것입니다.

이 연구는 자연과학 및 공학연구위원회(NSERC), 국립과학재단(NSF) 및 미국 에너지부의 지원을 받았습니다.