Astronomen kunnen de sterren die ze bestuderen niet aanraken, maar astrofysicus Nia Imara gebruikt driedimensionale modellen die in de palm van haar hand passen om de structurele complexiteit van sterrenkraamkamers te ontrafelen. de enorme wolken van gas en stof waar stervorming plaatsvindt.

Imara en haar medewerkers hebben de modellen gemaakt met behulp van gegevens van simulaties van stervormende wolken en een geavanceerd 3D-printproces waarin de fijnschalige dichtheden en gradiënten van de turbulente wolken zijn ingebed in een transparante hars. De resulterende modellen - de eerste 3D-geprinte stellaire kinderdagverblijven - zijn zeer gepolijste bollen ter grootte van een honkbal (8 centimeter in diameter), waarin het stervormende materiaal verschijnt als wervelende klonten en filamenten.

"We wilden een interactief object om ons te helpen die structuren te visualiseren waar sterren worden gevormd, zodat we de fysieke processen beter kunnen begrijpen, " zei Imara, een assistent-professor astronomie en astrofysica aan UC Santa Cruz en eerste auteur van een paper waarin deze nieuwe benadering wordt beschreven, gepubliceerd op 25 augustus in Astrofysische journaalbrieven .

Zowel kunstenaar als astrofysicus, Imara zei dat het idee een voorbeeld is van wetenschap die kunst imiteert. "Jaren geleden, Ik schetste een portret van mezelf die een ster aanraakte. Later, het idee klikte gewoon. Stervorming binnen moleculaire wolken is mijn expertisegebied, dus waarom niet proberen er een te bouwen?" zei ze.

Ze werkte samen met co-auteur John Forbes van het Centre for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute om een ​​reeks van negen simulaties te ontwikkelen die verschillende fysieke omstandigheden binnen moleculaire wolken vertegenwoordigen. De samenwerking omvatte ook co-auteur James Weaver aan de School of Engineering and Applied Sciences van Harvard University, die hielpen om de gegevens van de astronomische simulaties om te zetten in fysieke objecten met behulp van hoge resolutie en fotorealistische multi-materiaal 3D-printen.

De resultaten zijn zowel visueel opvallend als wetenschappelijk verhelderend. "Alleen esthetisch zijn ze echt geweldig om naar te kijken, en dan begin je de complexe structuren op te merken die ongelooflijk moeilijk te zien zijn met de gebruikelijke technieken om deze simulaties te visualiseren, ' zei Forbes.

Bijvoorbeeld, bladachtige of pannenkoekvormige structuren zijn moeilijk te onderscheiden in tweedimensionale plakjes of projecties, omdat een doorsnede door een plaat eruitziet als een filament.

"Binnen de sferen, je kunt duidelijk een tweedimensionaal blad zien, en binnenin zijn kleine filamenten, en dat is verbijsterend vanuit het perspectief van iemand die probeert te begrijpen wat er gaande is in deze simulaties, ' zei Forbes.

De modellen onthullen ook structuren die meer continu zijn dan ze zouden lijken in 2D-projecties, zei Imara. "Als er iets door de ruimte slingert, je realiseert je misschien niet dat twee regio's zijn verbonden door dezelfde structuur, dus met een interactief object dat u in uw hand kunt draaien, kunnen we deze continuïteiten gemakkelijker detecteren, " ze zei.

De negen simulaties waarop de modellen zijn gebaseerd, zijn ontworpen om de effecten te onderzoeken van drie fundamentele fysieke processen die de evolutie van moleculaire wolken bepalen:turbulentie, zwaartekracht, en magnetische velden. Door verschillende variabelen te veranderen, zoals de sterkte van de magnetische velden of hoe snel het gas beweegt, de simulaties laten zien hoe verschillende fysieke omgevingen de morfologie van substructuren die verband houden met stervorming beïnvloeden.

Sterren hebben de neiging zich te vormen in klonten en kernen die zich op de kruising van filamenten bevinden, waar de dichtheid van gas en stof hoog genoeg wordt om de zwaartekracht over te nemen. "We denken dat de spins van deze pasgeboren sterren zullen afhangen van de structuren waarin ze zich vormen - sterren in dezelfde gloeidraad zullen 'weten' van elkaars spins, ' zei Imara.

Met de fysieke modellen, er is geen astrofysicus met expertise in deze processen nodig om de verschillen tussen de simulaties te zien. "Toen ik naar 2D-projecties van de simulatiegegevens keek, het was vaak een uitdaging om hun subtiele verschillen te zien, terwijl met de 3D-geprinte modellen, het was duidelijk, " zei Wever, die een achtergrond heeft in biologie en materiaalkunde en routinematig 3D-printen gebruikt om de structurele details van een breed scala aan biologische en synthetische materialen te onderzoeken.

"Ik ben erg geïnteresseerd in het verkennen van het raakvlak tussen wetenschap, kunst, en onderwijs, en ik ben gepassioneerd over het gebruik van 3D-printen als hulpmiddel voor de presentatie van complexe structuren en processen op een gemakkelijk te begrijpen manier, "Wever zei. "Traditioneel 3D-printen op basis van extrusie kan alleen solide objecten produceren met een doorlopend buitenoppervlak, en dat is problematisch als je probeert uit te beelden, gassen, wolken, of andere diffuse vormen. Onze aanpak maakt gebruik van een inkjet-achtig 3D-printproces om kleine individuele druppeltjes ondoorzichtige hars op precieze locaties in een omringend volume transparante hars af te zetten om de vorm van de wolk in prachtige details te definiëren."

Hij merkte op dat de modellen in de toekomst ook aanvullende informatie kunnen bevatten door het gebruik van verschillende kleuren om hun wetenschappelijke waarde te vergroten. De onderzoekers zijn ook geïnteresseerd in het verkennen van het gebruik van 3D-printen om observatiegegevens van nabijgelegen moleculaire wolken weer te geven, zoals die in het sterrenbeeld Orion.

De modellen kunnen ook dienen als waardevolle instrumenten voor onderwijs en publieksbereik, zei Imara, die van plan is ze te gebruiken in een cursus astrofysica die ze dit najaar gaat geven.