Астрономи створили перші 3D-друковані зоряні ясла

Тепер дослідники можуть тримати у своїх руках зоряні ясла завдяки 3D-друку, розкриваючи особливості, які часто приховані у традиційних візуалізаціях та анімаціях.

Про це розповідають у Каліфорнійському університеті у Санта-Крус (UCSC).

Астрономи не можуть торкнутися зірок, які вони вивчають, але астрофізик Нія Імара використовує тривимірні моделі, які поміщаються в її долоні, щоб розкрити структурні складності зоряних ясел – величезних хмар газу та пилу, де відбувається зореутворення.

Імара зі співробітниками створила моделі, використовуючи дані симуляцій зореутворювальних хмар та складний процес 3D-друку, в якому тонкомасштабні щільності та градієнти турбулентних хмар вбудовуються у прозору смолу. Отримані моделі – перші тривимірні друковані зоряні ясла – являють собою дуже відполіровані сфери розміром з бейсбольний м′яч (діаметром 8 сантиметрів), у яких зореутворювальний матеріал виглядає як закручені згустки та філаменти.

"Ми хотіли, щоб інтерактивний об′єкт допоміг нам візуалізувати ті структури, де утворюються зорі, щоб ми могли краще зрозуміти фізичні процеси", - сказала Імара, доцентка кафедри астрономії та астрофізики у UCSC та перший автор статті, що описує цей новий підхід, опублікованої 25 серпня в Astrophysical Journal Letters.

Художник, а також астрофізик, Імара каже, що ця ідея є прикладом того, як наука наслідує мистецтво. "Багато років тому я намалювала свій портрет, на якому я торкаюся зір. Пізніше ця ідея просто вискочила. Формування зірок у молекулярних хмарах – це сфера моєї компетенції, то чому б не спробувати створити одну?", - сказала вона.

Вона працювала зі співавтором Джоном Форбсом з Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флатірон над розробкою набору з дев′яти симуляцій, що представляють різні фізичні умови у молекулярних хмарах. У співпраці також брав участь співавтор Джеймс Вівера зі Школи інженерних та прикладних наук Гарвардського університету, який допоміг перетворити дані астрономічних симуляцій у фізичні об’єкти за допомогою 3D-друку з високою роздільною здатністю та фотореалістичністю з декількох матеріалів.

Результати вражають як візуально, так і з наукової точки зору. "Просто естетично на них дійсно дивовижно дивитися, і тоді ти починаєш помічати складні структури, які надзвичайно важко побачити за допомогою звичайних прийомів візуалізації цих симуляцій", - сказав Форбс.

Наприклад, схожі на аркуш або млинець структури важко розрізнити у двовимірних зрізах або проєкціях, оскільки зріз аркуша виглядає як філамент.

"Усередині сфер можна чітко побачити двовимірний аркуш, а всередині нього є невеликі філаменти, і це вражає уяву з точки зору того, хто намагається зрозуміти, що відбувається в цих симуляціях", - сказав Форбс.

За словами Імари, моделі також показують структури, які є більш безперервними, ніж це виглядало б у двовимірних проєкціях. "Якщо у вас є щось, що звивається у космосі, ви могли б не усвідомлювати, що дві області з′єднані однією і тією ж структурою, тому наявність інтерактивного об′єкта, який можна обертати в руці, дозволяє нам легше виявляти ці безперервності", - сказала вона.

Дев′ять симуляцій, на яких ґрунтуються моделі, були розроблені для дослідження впливу трьох фундаментальних фізичних процесів, що керують еволюцією молекулярних хмар: турбулентності, гравітації та магнітного поля. Змінюючи різні змінні, такі як сила магнітних полів або швидкість руху газу, симуляції показують, як різні фізичні середовища впливають на морфологію підструктур, пов′язаних із зореутворенням.

Зорі, як правило, утворюються у згустках та ядрах, розташованих на перетині філаментів, де щільність газу та пилу стає достатньо високою, щоб гравітація взяла вгору. "Ми вважаємо, що спіни цих новонароджених зірок залежатимуть від структур, у яких вони утворюються – зорі в одному філаменті "знатимуть" про спіни один одного", - сказала Імара.

За допомогою фізичних моделей не потрібно бути астрофізиком, який розбирається у цих процесах, щоб побачити відмінності між симуляціями. "Коли я дивився на двовимірні проєкції даних симуляцій, часто було складно побачити їхні тонкі відмінності, тоді як з 3D-друкованими моделями це було очевидно", - сказав Уівер, який має досвід роботи у біології та матеріалознавстві й регулярно використовує 3D-друк для дослідження структурних деталей широкого спектра біологічних та синтетичних матеріалів.

"Я дуже зацікавлений у вивченні взаємодії між наукою, мистецтвом та освітою, і я захоплений використанням 3D-друку як інструменту для презентації складних структур та процесів у легко зрозумілій формі", - сказав Уівер. "Традиційний 3D-друк на основі екструзії може створювати лише тверді предмети із суцільною зовнішньою поверхнею, і це проблематично під час спроб зобразити гази, хмари чи інші дифузні форми. Наш підхід використовує процес струменевого 3D-друку для нанесення крихітних окремих крапель непрозорої смоли у чіткі місця всередині навколишнього об’єму прозорої смоли, щоб визначити форму хмари у найтонших деталях".

Він зазначив, що у майбутньому в моделі також можна буде включити додаткову інформацію за допомогою використання різних кольорів для підвищення їх наукової цінності. Дослідники також зацікавлені у вивченні використання 3D-друку для представлення спостережних даних із сусідніх молекулярних хмар, таких як дані про хмари у сузір’ї Оріона.

Моделі також можуть служити цінними інструментами для освіти та роботи з громадськістю, сказала Імара, яка планує використовувати їх у курсі астрофізики, який вона викладатиме цієї осені.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.