Holder fantastiske planteskoler i dine hænder

Astronomer kan ikke røre de stjerner, de studerer, men astrofysiker Nia Imara bruger 3-dimensionelle modeller, der passer i hendes håndflade til at optrevle de strukturelle kompleksiteter af stjernegartnerier, de enorme skyer af gas og støv, hvor stjernedannelsen finder sted.

Imara og hendes samarbejdspartnere skabte modellerne ved hjælp af data fra simuleringer af stjernedannende skyer og en sofistikeret 3D-printproces, hvor de turbulente skyers finskaladensiteter og gradienter er indlejret i en gennemsigtig harpiks. De resulterende modeller - de første 3D-printede stjernegartnerier - er højpolerede kugler på størrelse med en baseball (8 centimeter i diameter), hvori det stjernedannende materiale optræder som hvirvlende klumper og filamenter.

"Vi ønskede et interaktivt objekt til at hjælpe os med at visualisere de strukturer, hvor stjerner dannes, så vi bedre kan forstå de fysiske processer, " sagde Imara, en assisterende professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz og førsteforfatter til et papir, der beskriver denne nye tilgang offentliggjort 25. august i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

En kunstner såvel som en astrofysiker, Imara sagde, at ideen er et eksempel på, at videnskab efterligner kunst. "For år siden, Jeg tegnede et portræt af mig selv, mens jeg rørte ved en stjerne. Senere, ideen klikkede bare. Stjernedannelse inden for molekylære skyer er mit ekspertiseområde, så hvorfor ikke prøve at bygge en?" sagde hun.

Hun arbejdede sammen med medforfatter John Forbes ved Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics for at udvikle en suite af ni simuleringer, der repræsenterer forskellige fysiske forhold inden for molekylære skyer. Samarbejdet omfattede også medforfatter James Weaver ved Harvard University's School of Engineering and Applied Sciences, som hjalp med at omdanne dataene fra de astronomiske simuleringer til fysiske objekter ved hjælp af højopløsnings- og fotorealistisk multi-materiale 3D-print.

Resultaterne er både visuelt slående og videnskabeligt oplysende. "Bare æstetisk er de virkelig fantastiske at se på, og så begynder du at bemærke de komplekse strukturer, som er utroligt svære at se med de sædvanlige teknikker til at visualisere disse simuleringer, " sagde Forbes.

For eksempel, arklignende eller pandekageformede strukturer er svære at skelne i todimensionelle skiver eller fremspring, fordi et snit gennem et ark ligner en filament.

"Inden for sfærerne, du kan tydeligt se et todimensionelt ark, og indeni den er der små filamenter, og det er ufatteligt set fra en person, der forsøger at forstå, hvad der foregår i disse simuleringer, " sagde Forbes.

Modellerne afslører også strukturer, der er mere kontinuerlige, end de ville se ud i 2D-projektioner, sagde Imara. "Hvis du har noget, der snor sig rundt i rummet, du er måske ikke klar over, at to regioner er forbundet af den samme struktur, så at have et interaktivt objekt, du kan rotere i hånden, giver os mulighed for lettere at opdage disse kontinuiteter, " hun sagde.

De ni simuleringer, som modellerne er baseret på, er designet til at undersøge virkningerne af tre grundlæggende fysiske processer, der styrer udviklingen af ​​molekylære skyer:turbulens, tyngdekraft, og magnetiske felter. Ved at ændre forskellige variabler, såsom styrken af ​​magnetfelterne eller hvor hurtigt gassen bevæger sig, simuleringerne viser, hvordan forskellige fysiske miljøer påvirker morfologien af ​​understrukturer relateret til stjernedannelse.

Stjerner har en tendens til at dannes i klumper og kerner placeret ved skæringspunktet mellem filamenter, hvor tætheden af ​​gas og støv bliver høj nok til, at tyngdekraften kan tage over. "Vi tror, ​​at disse nyfødte stjerners spin vil afhænge af de strukturer, de dannes i - stjerner i den samme filament vil 'vide' om hinandens spins, " sagde Imara.

Med de fysiske modeller, det kræver ikke en astrofysiker med ekspertise i disse processer at se forskellene mellem simuleringerne. "Da jeg så på 2D-projektioner af simuleringsdataene, det var ofte udfordrende at se deres subtile forskelle, hvorimod med de 3D-printede modeller, det var tydeligt, " sagde Weaver, som har en baggrund i biologi og materialevidenskab og rutinemæssigt bruger 3D-print til at undersøge de strukturelle detaljer i en lang række biologiske og syntetiske materialer.

"Jeg er meget interesseret i at udforske grænsefladen mellem videnskab, kunst, og uddannelse, og jeg brænder for at bruge 3D-print som et værktøj til præsentation af komplekse strukturer og processer på en let forståelig måde, " sagde Weaver. "Traditionel ekstruderingsbaseret 3D-print kan kun producere solide objekter med en kontinuerlig ydre overflade, og det er problematisk, når man prøver at skildre, gasser, skyer, eller andre diffuse former. Vores tilgang bruger en inkjet-lignende 3D-printproces til at afsætte små individuelle dråber af uigennemsigtig harpiks på præcise steder inden for et omgivende volumen af ​​transparent harpiks for at definere skyens form i udsøgte detaljer."

Han bemærkede, at modellerne i fremtiden også kunne inkorporere yderligere information gennem brug af forskellige farver for at øge deres videnskabelige værdi. Forskerne er også interesserede i at udforske brugen af ​​3D-print til at repræsentere observationsdata fra nærliggende molekylære skyer, såsom dem i stjernebilledet Orion.

Modellerne kan også tjene som værdifulde værktøjer til uddannelse og offentlig udbredelse, sagde Imara, som planlægger at bruge dem i et astrofysikkursus, hun skal undervise til efteråret.