Dove ci sono dati, potrebbero esserci stampe 3D
I ricercatori possono ora tenere in mano asili nido stellari grazie alla stampa 3D, rivelando caratteristiche spesso oscurate nei rendering e nelle animazioni tradizionali
I primi vivai stellari stampati in 3D sono sfere lucidate delle dimensioni di una palla da baseball, in cui grumi e filamenti vorticosi rappresentano nuvole di gas e polvere che formano stelle. I ricercatori hanno creato i modelli utilizzando i dati delle simulazioni di nuvole che formano stelle e un processo di stampa 3D in cui le densità e i gradienti su scala fine delle nuvole sono incorporati in una resina trasparente.
Oltre alle sfere che rappresentano nove diverse simulazioni, i ricercatori hanno anche stampato semisfere per rivelare i dati del piano medio. Il materiale più chiaro corrisponde a regioni di maggiore densità, mentre le aree più scure rappresentano regioni di bassa densità e vuoti.
Nia Imara è sia un’astrofisica che un’artista. Un ritratto di se stessa che tocca una stella (sotto) alla fine ha portato all’idea di creare modelli fisici di asili nido stellari.
Gli astronomi non possono toccare le stelle che studiano, ma l’astrofisica Nia Imara sta usando modelli tridimensionali che stanno nel palmo della sua mano per svelare le complessità strutturali dei vivai stellari, le vaste nubi di gas e polvere in cui si verifica la formazione stellare.
Imara e i suoi collaboratori hanno creato i modelli utilizzando i dati delle simulazioni di nuvole che formano stelle e un sofisticato processo di stampa 3D in cui le densità e i gradienti su piccola scala delle nuvole turbolente sono incorporati in una resina trasparente. I modelli risultanti, i primi vivai stellari stampati in 3D, sono sfere lucidate delle dimensioni di una palla da baseball (8 centimetri di diametro), in cui il materiale che forma le stelle appare come grumi e filamenti vorticosi.
“Volevamo un oggetto interattivo che ci aiutasse a visualizzare quelle strutture in cui si formano le stelle in modo da poter comprendere meglio i processi fisici”, ha affermato Imara, assistente professore di astronomia e astrofisica presso l’UC Santa Cruz e primo autore di un articolo che descrive questo nuovo approccio pubblicato 25 agosto in Astrophysical Journal Letters .
Artista oltre che astrofisico, Imara ha affermato che l’idea è un esempio di scienza che imita l’arte. “Anni fa, ho abbozzato un ritratto di me stesso mentre toccavo una stella. Più tardi, l’idea è semplicemente scattata. La formazione stellare all’interno delle nuvole molecolari è la mia area di competenza, quindi perché non provare a costruirne una?” lei disse.
Ha lavorato con il coautore John Forbes presso il Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute per sviluppare una suite di nove simulazioni che rappresentano diverse condizioni fisiche all’interno delle nuvole molecolari. La collaborazione includeva anche il coautore James Weaver della School of Engineering and Applied Sciences dell’Università di Harvard, che ha contribuito a trasformare i dati delle simulazioni astronomiche in oggetti fisici utilizzando la stampa 3D multimateriale ad alta risoluzione e fotorealistica.
I risultati sono sia visivamente sorprendenti che scientificamente illuminanti. “Solo esteticamente sono davvero sorprendenti da guardare, e poi inizi a notare le strutture complesse che sono incredibilmente difficili da vedere con le solite tecniche per visualizzare queste simulazioni”, ha detto Forbes.
Ad esempio, le strutture a forma di foglio o pancake sono difficili da distinguere in sezioni o proiezioni bidimensionali, perché una sezione attraverso un foglio sembra un filamento.
“All’interno delle sfere, puoi vedere chiaramente un foglio bidimensionale, e al suo interno ci sono piccoli filamenti, e questo è sbalorditivo dal punto di vista di qualcuno che sta cercando di capire cosa sta succedendo in queste simulazioni”, ha detto Forbes.
I modelli rivelano anche strutture che sono più continue di quanto sembrerebbero nelle proiezioni 2D, ha detto Imara. “Se hai qualcosa che si snoda nello spazio, potresti non renderti conto che due regioni sono collegate dalla stessa struttura, quindi avere un oggetto interattivo che puoi ruotare nella tua mano ci consente di rilevare queste continuità più facilmente”, ha detto.
Le nove simulazioni su cui si basano i modelli sono state progettate per indagare gli effetti di tre processi fisici fondamentali che governano l’evoluzione delle nuvole molecolari: turbolenza, gravità e campi magnetici. Modificando diverse variabili, come l’intensità dei campi magnetici o la velocità con cui si muove il gas, le simulazioni mostrano come i diversi ambienti fisici influenzino la morfologia delle sottostrutture legate alla formazione stellare.
Le stelle tendono a formarsi in gruppi e nuclei situati all’intersezione dei filamenti, dove la densità di gas e polvere diventa sufficientemente elevata da consentire alla gravità di prendere il sopravvento. “Pensiamo che gli spin di queste stelle appena nate dipenderanno dalle strutture in cui si formano: le stelle nello stesso filamento ‘saranno’ gli uni degli altri”, ha detto Imara.
Con i modelli fisici, non ci vuole un astrofisico esperto in questi processi per vedere le differenze tra le simulazioni. “Quando ho guardato le proiezioni 2D dei dati di simulazione, è stato spesso difficile vedere le loro sottili differenze, mentre con i modelli stampati in 3D, era ovvio”, ha detto Weaver, che ha un background in biologia e scienza dei materiali e usa regolarmente Stampa 3D per indagare i dettagli strutturali di un’ampia gamma di materiali biologici e sintetici.
“Sono molto interessato ad esplorare l’interfaccia tra scienza, arte e istruzione e mi appassiona usare la stampa 3D come strumento per la presentazione di strutture e processi complessi in un modo facilmente comprensibile”, ha affermato Weaver. “La stampa 3D tradizionale basata sull’estrusione può produrre solo oggetti solidi con una superficie esterna continua, e questo è problematico quando si cerca di rappresentare gas, nuvole o altre forme diffuse. Il nostro approccio utilizza un processo di stampa 3D simile al getto d’inchiostro per depositare minuscole goccioline individuali di resina opaca in punti precisi all’interno di un volume circostante di resina trasparente per definire la forma della nuvola con dettagli squisiti”.
Ha notato che in futuro i modelli potrebbero anche incorporare informazioni aggiuntive attraverso l’uso di colori diversi per aumentare il loro valore scientifico. I ricercatori sono anche interessati a esplorare l’uso della stampa 3D per rappresentare i dati osservativi delle nuvole molecolari vicine, come quelle della costellazione di Orione.
I modelli possono anche servire come strumenti preziosi per l’istruzione e la divulgazione pubblica, ha affermato Imara, che prevede di usarli in un corso di astrofisica che insegnerà questo autunno.
