Имара и ее сотрудники создали модели, используя данные моделирования звездообразующих облаков и сложный процесс 3D-печати, в котором мелкомасштабные плотности и градиенты турбулентных облаков встроены в прозрачную смолу. Полученные в результате модели – первые звездные ясли, напечатанные на 3D-принтере, – представляют собой отполированные сферы размером с бейсбольный мяч (8 сантиметров в диаметре), в которых звездообразующий материал выглядит как кружащиеся сгустки и нити.
«Мы хотели, чтобы интерактивный объект помог нам визуализировать те структуры, в которых образуются звезды, чтобы мы могли лучше понять физические процессы», – сказал Имара, доцент астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крус и первый автор опубликованной статьи, описывающей этот новый подход. 25 августа в Astrophysical Journal Letters.
Художник, а также астрофизик, Имара сказал, что эта идея является примером науки, имитирующей искусство. "Несколько лет назад я нарисовал портрет самого себя, касающегося звезды.
Позже идея просто щелкнула. Я специализируюсь на звездообразовании в молекулярных облаках, так почему бы не попробовать создать такое??" она сказала.
Вместе с соавтором Джоном Форбсом в Центре вычислительной астрофизики Института Флэтайрон она разработала набор из девяти симуляций, представляющих различные физические условия в молекулярных облаках. В сотрудничестве также участвовал соавтор Джеймс Уивер из Школы инженерии и прикладных наук Гарвардского университета, который помог преобразовать данные астрономических симуляций в физические объекты с помощью фотореалистичной трехмерной печати из нескольких материалов с высоким разрешением.
Результаты впечатляют как визуально, так и с научной точки зрения. «Просто эстетически на них действительно приятно смотреть, а затем вы начинаете замечать сложные структуры, которые невероятно трудно увидеть с помощью обычных методов визуализации этих симуляций», – сказал Forbes.
Например, листовые или блиновидные структуры трудно различить на двухмерных срезах или выступах, потому что сечение листа выглядит как нить.
«Внутри сфер вы можете ясно видеть двухмерный лист, а внутри него маленькие нити, и это ошеломляет с точки зрения человека, который пытается понять, что происходит в этих симуляциях», – сказал Forbes.
По словам Имара, модели также выявляют структуры, которые более сплошные, чем они могут показаться в 2D-проекциях. «Если у вас есть что-то, вращающееся в пространстве, вы можете не осознавать, что две области связаны одной и той же структурой, поэтому наличие интерактивного объекта, который вы можете вращать в руке, позволяет нам легче обнаруживать эти непрерывности», – сказала она.
Девять симуляций, на которых основаны модели, были разработаны для исследования эффектов трех фундаментальных физических процессов, которые управляют эволюцией молекулярных облаков: турбулентности, гравитации и магнитных полей.
Изменяя различные переменные, такие как сила магнитного поля или скорость движения газа, моделирование показывает, как различные физические среды влияют на морфологию субструктур, связанных с звездообразованием.
Звезды имеют тенденцию формироваться в сгустки и ядра, расположенные на пересечении волокон, где плотность газа и пыли становится достаточно высокой, чтобы сила тяжести взяла верх. «Мы думаем, что вращение этих новорожденных звезд будет зависеть от структур, в которых они образуются – звезды в одной нити накала будут« знать »о вращении друг друга», – сказал Имара.
С физическими моделями не требуется астрофизика, обладающего опытом в этих процессах, чтобы увидеть различия между симуляциями. «Когда я смотрел на 2D-проекции данных моделирования, часто было сложно увидеть их тонкие различия, тогда как с 3D-печатными моделями это было очевидно», – сказал Уивер, имеющий опыт работы в области биологии и материаловедения и регулярно использующий 3D-печать для исследования структурных деталей широкого спектра биологических и синтетических материалов.
«Мне очень интересно исследовать взаимосвязь между наукой, искусством и образованием, и я увлечен использованием 3D-печати в качестве инструмента для представления сложных структур и процессов в легко понятной форме», – сказал Уивер. «Традиционная 3D-печать на основе экструзии позволяет создавать только твердые объекты с непрерывной внешней поверхностью, и это проблематично при попытке изобразить газы, облака или другие диффузные формы. В нашем подходе используется процесс 3D-печати, похожий на струйный, для нанесения крошечных отдельных капелек непрозрачной смолы в точных местах в окружающем объеме прозрачной смолы для определения формы облака с мельчайшими деталями."
Он отметил, что в будущем модели могут также включать дополнительную информацию за счет использования разных цветов, чтобы повысить их научную ценность. Исследователи также заинтересованы в изучении использования 3D-печати для представления данных наблюдений из близлежащих молекулярных облаков, таких как те, что в созвездии Ориона.
По словам Имары, модели могут также служить ценными инструментами для обучения и информирования общественности, которая планирует использовать их в курсе астрофизики, который она будет преподавать этой осенью.