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Segurando creches estelares em suas mãos
Os primeiros berçários estelares impressos em 3D - são esferas altamente polidas do tamanho de uma bola de beisebol (8 centímetros de diâmetro), nas quais o material de formação de estrelas aparece como aglomerados e filamentos rodopiantes.
Por Tim Stephens - 03/09/2021


Os primeiros berçários estelares impressos em 3D são esferas altamente polidas do tamanho de uma bola de beisebol, nas quais aglomerados e filamentos em redemoinho representam nuvens de gás e poeira em formação de estrelas. Os pesquisadores criaram os modelos usando dados de simulações de nuvens em formação de estrelas e um processo de impressão 3D no qual as densidades e gradientes em escala fina das nuvens são incorporados em uma resina transparente. Crédito: Saurabh Mhatre

Os astrônomos não podem tocar as estrelas que estudam, mas a astrofísica Nia Imara está usando modelos tridimensionais que cabem na palma de sua mão para desvendar as complexidades estruturais dos berçários estelares, as vastas nuvens de gás e poeira onde ocorre a formação de estrelas.

Imara e seus colaboradores criaram os modelos usando dados de simulações de nuvens em formação de estrelas e um sofisticado processo de impressão 3D no qual as densidades e gradientes em escala fina das nuvens turbulentas são incorporados em uma resina transparente. Os modelos resultantes - os primeiros berçários estelares impressos em 3D - são esferas altamente polidas do tamanho de uma bola de beisebol (8 centímetros de diâmetro), nas quais o material de formação de estrelas aparece como aglomerados e filamentos rodopiantes.

"Queríamos um objeto interativo que nos ajudasse a visualizar as estruturas onde as estrelas se formam, para que possamos entender melhor os processos físicos ", disse Imara, professora assistente de astronomia e astrofísica na UC Santa Cruz e primeira autora de um artigo que descreve esta nova abordagem publicada 25 de agosto em Astrophysical Journal Letters .

Artista e também astrofísica, Imara disse que a ideia é um exemplo de ciência imitando a arte. "Anos atrás, esbocei um retrato meu tocando uma estrela. Mais tarde, a ideia simplesmente me deu um clique. A formação de estrelas dentro de nuvens moleculares é minha área de especialização, então por que não tentar construir uma?" ela disse.

Ela trabalhou com o coautor John Forbes no Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute para desenvolver um conjunto de nove simulações que representam diferentes condições físicas dentro de nuvens moleculares. A colaboração também incluiu o coautor James Weaver na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Harvard, que ajudou a transformar os dados das simulações astronômicas em objetos físicos usando impressão 3D multimaterial fotorrealista de alta resolução.

Os resultados são visualmente impressionantes e cientificamente esclarecedores. "Apenas esteticamente, eles são realmente incríveis de se olhar, e então você começa a notar as estruturas complexas que são incrivelmente difíceis de ver com as técnicas usuais para visualizar essas simulações", disse Forbes.

Por exemplo, estruturas em forma de folha ou em forma de panqueca são difíceis de distinguir em fatias ou projeções bidimensionais, porque uma seção através de uma folha se parece com um filamento.
 
"Dentro das esferas, você pode ver claramente uma folha bidimensional, e dentro dela há pequenos filamentos, e isso é estonteante da perspectiva de alguém que está tentando entender o que está acontecendo nessas simulações", disse Forbes.

Os modelos também revelam estruturas que são mais contínuas do que pareceriam em projeções 2D, disse Imara. "Se você tem algo girando no espaço, pode não perceber que duas regiões estão conectadas pela mesma estrutura, então ter um objeto interativo que você pode girar em sua mão nos permite detectar essas continuidades mais facilmente", disse ela.

As nove simulações nas quais os modelos são baseados foram projetadas para investigar os efeitos de três processos físicos fundamentais que governam a evolução das nuvens moleculares: turbulência, gravidade e campos magnéticos. Ao alterar diferentes variáveis, como a força dos campos magnéticos ou a velocidade com que o gás se move, as simulações mostram como diferentes ambientes físicos afetam a morfologia de subestruturas relacionadas à formação de estrelas .

As estrelas tendem a se formar em aglomerados e núcleos localizados na interseção dos filamentos, onde a densidade do gás e da poeira torna-se alta o suficiente para que a gravidade assuma o controle. "Achamos que os spins dessas estrelas recém-nascidas dependerão das estruturas em que se formam - estrelas no mesmo filamento 'saberão' sobre os spins umas das outras", disse Imara.

Com os modelos físicos, não é preciso um astrofísico com experiência nesses processos para ver as diferenças entre as simulações. "Quando eu olhava para projeções 2D dos dados de simulação , muitas vezes era desafiador ver suas diferenças sutis, enquanto com os modelos impressos em 3D, era óbvio", disse Weaver, que tem formação em biologia e ciência de materiais e usa rotineiramente Impressão 3D para investigar os detalhes estruturais de uma ampla gama de materiais biológicos e sintéticos.

"Estou muito interessado em explorar a interface entre ciência, arte e educação e sou apaixonado por usar a impressão 3D como uma ferramenta para a apresentação de estruturas e processos complexos de uma forma facilmente compreensível", disse Weaver. "A impressão 3D baseada em extrusão tradicional só pode produzir objetos sólidos com uma superfície externa contínua, e isso é problemático ao tentar representar gases, nuvens ou outras formas difusas. Nossa abordagem usa um processo de impressão 3D semelhante a jato de tinta para depositar pequenas gotas individuais de resina opaca em locais precisos dentro de um volume circundante de resina transparente para definir a forma da nuvem em detalhes requintados. "

Ele observou que, no futuro, os modelos também poderiam incorporar informações adicionais por meio do uso de cores diferentes para aumentar seu valor científico. Os pesquisadores também estão interessados ​​em explorar o uso da impressão 3D para representar dados observacionais de nuvens moleculares próximas , como as da constelação de Orion.

Os modelos também podem servir como ferramentas valiosas para a educação e alcance público, disse Imara, que planeja usá-los em um curso de astrofísica que ela dará neste outono.

 

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