Sosteniendo viveros estelares en tus manos

Los primeros viveros estelares impresos en 3D son esferas muy pulidas del tamaño de una pelota de béisbol, en las que los grupos y filamentos arremolinados representan nubes de gas y polvo que forman estrellas. Los investigadores crearon los modelos utilizando datos de simulaciones de nubes de formación de estrellas y un proceso de impresión 3D en el que las densidades y gradientes de las nubes a escala fina están incrustados en una resina transparente. Crédito: Saurabh Mhatre.

Los astrónomos no pueden tocar las estrellas que estudian, pero la astrofísica Nia Imara está usando modelos tridimensionales que caben en la palma de su mano para desentrañar las complejidades estructurales de los viveros estelares, las vastas nubes de gas y polvo donde ocurre la formación de estrellas.

Nia Imara es Astrofísica y Artista. 
Un retrato de ella tocando una estrella (abajo) eventualmente llevó a la idea de crear modelos físicos de viveros estelares.
Imagen de cortesía

Imara y sus colaboradores crearon los modelos utilizando datos de simulaciones de nubes en formación de estrellas y un sofisticado proceso de impresión 3D en el que las densidades y gradientes de las nubes turbulentas a escala fina están incrustados en una resina transparente. Los modelos resultantes, los primeros viveros estelares impresos en 3D, son esferas muy pulidas del tamaño de una pelota de béisbol (8 centímetros de diámetro), en las que el material formador de estrellas aparece como grupos y filamentos arremolinados.

«Queríamos un objeto interactivo que nos ayudara a visualizar esas estructuras donde se forman las estrellas para que podamos comprender mejor los procesos físicos», dijo Imara, Profesora Asistente de Astronomía y Astrofísica en UC Santa Cruz y primera autora de un artículo que describe este enfoque novedoso publicado el 25 de Agosto en Astrophysical Journal Letters.

Artista además de astrofísica, Imara dijo que la idea es un ejemplo de ciencia que imita al arte. “Hace años, dibujé un retrato de mí misma tocando una estrella. Más tarde, la idea simplemente hizo clic. La formación de estrellas dentro de las nubes moleculares es mi área de especialización, así que ¿por qué no intentar construir una?» ella dijo.

Trabajó con el coautor John Forbes en el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron para desarrollar un conjunto de nueve simulaciones que representan diferentes condiciones físicas dentro de las nubes moleculares. La colaboración también incluyó al coautor James Weaver de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Harvard, quien ayudó a convertir los datos de las simulaciones astronómicas en objetos físicos mediante la impresión 3D de múltiples materiales fotorrealistas y de alta resolución.

Los resultados son visualmente impactantes y científicamente esclarecedores

«Solo estéticamente son realmente asombrosos de mirar, y luego comienzas a notar las estructuras complejas que son increíblemente difíciles de ver con las técnicas habituales para visualizar estas simulaciones», dijo Forbes.

Además de las esferas que representan nueve simulaciones diferentes, los investigadores también imprimieron medias esferas para revelar los datos del plano medio. El material más claro corresponde a regiones de mayor densidad, mientras que las áreas más oscuras representan regiones de baja densidad y vacíos.
Crédito: Saurabh Mhatre.

Por ejemplo, las estructuras en forma de hoja o panqueque son difíciles de distinguir en rebanadas o proyecciones bidimensionales, porque una sección a través de una hoja parece un filamento.

“Dentro de las esferas, puedes ver claramente una hoja bidimensional, y dentro de ella hay pequeños filamentos, y eso es alucinante desde la perspectiva de alguien que está tratando de entender lo que está sucediendo en estas simulaciones”, dijo Forbes.

Los modelos también revelan estructuras que son más continuas de lo que aparecerían en las proyecciones 2D, dijo Imara. “Si tienes algo dando vueltas a través del espacio, es posible que no te des cuenta de que dos regiones están conectadas por la misma estructura, por lo que tener un objeto interactivo que puedes rotar en tu mano nos permite detectar estas continuidades más fácilmente”, dijo.

Estudiando los tres procesos físicos que gobiernan la evolución de las nubes moleculares

Las nueve simulaciones en las que se basan los modelos se diseñaron para investigar los efectos de tres procesos físicos fundamentales que gobiernan la evolución de las nubes moleculares: turbulencia, gravedad y campos magnéticos. Al cambiar diferentes variables, como la fuerza de los campos magnéticos o la rapidez con que se mueve el gas, las simulaciones muestran cómo los diferentes entornos físicos afectan la morfología de las subestructuras relacionadas con la formación de estrellas.

Autorretrato de Nia Imara que inspiró el proyecto.
Foto cortesía

Las estrellas tienden a formarse en grupos y núcleos ubicados en la intersección de los filamentos, donde la densidad del gas y el polvo se vuelve lo suficientemente alta como para que la gravedad se haga cargo. “Creemos que los giros (spin) de estas estrellas recién nacidas dependerán de las estructuras en las que se forman; las estrellas del mismo filamento ‘sabrán’ acerca de los giros (spin) de las demás”, dijo Imara.

La visualización y facilidad de comprensión que brinda este sistema de impresión 3D

Con los modelos físicos, no hace falta ser un astrofísico con experiencia en estos procesos para ver las diferencias entre las simulaciones. «Cuando miré las proyecciones 2D de los datos de simulación, a menudo fue un desafío ver sus sutiles diferencias, mientras que con los modelos impresos en 3D, era obvio», dijo Weaver, quien tiene experiencia en biología y ciencia de materiales y usa rutinariamente Impresión 3D para investigar los detalles estructurales de una amplia gama de materiales biológicos y sintéticos.

“Estoy muy interesado en explorar la interfaz entre ciencia, arte y educación, y me apasiona el uso de la impresión 3D como herramienta para la presentación de estructuras y procesos complejos de una manera fácilmente comprensible”, dijo Weaver. “La impresión 3D tradicional basada en extrusión solo puede producir objetos sólidos con una superficie exterior continua, y eso es problemático cuando se trata de representar gases, nubes u otras formas difusas. Nuestro enfoque utiliza un proceso de impresión 3D similar al chorro de tinta para depositar pequeñas gotas individuales de resina opaca en lugares precisos dentro de un volumen circundante de resina transparente para definir la forma de la nube con exquisito detalle».

Mirando hacia el futuro

Señaló que en el futuro los modelos también podrían incorporar información adicional mediante el uso de diferentes colores para incrementar su valor científico. Los investigadores también están interesados ​​en explorar el uso de la impresión 3D para representar datos de observación de nubes moleculares cercanas, como las de la constelación de Orión.

Los modelos también pueden servir como herramientas valiosas para la educación y el alcance público, dijo Imara, quien planea usarlos en un curso de astrofísica que impartirá este otoño.

Fuente: Universidad de California Santa Cruz.

Artículo original:Holding stellar nurseries in your hands‘. Tim Stephens. September 2, 2021.

Material relacionado

Una completa presentación de las actividades logros e intereses de Nia Imara se encuentra en:

La página personal de Nia Imara:

Red caótica de filamentos en un vivero estelar de la Vía Láctea

Date: 26 March 2018
Satellite: Herschel
Copyright: ESA/Herschel/PACS, SPIRE/Hi-GAL Project. Acknowledgement: UNIMAP / L. Piazzo, La Sapienza – Università di Roma; E. Schisano / G. Li Causi, IAPS/INAF, Italy.

El plano de la Vía Láctea es rico en regiones de formación de estrellas, como la que se muestra en esta impresionante escena por el observatorio espacial Herschel de la ESA. Para el ojo infrarrojo lejano de Herschel, esta región revela una intrincada red de filamentos de gas y burbujas oscuras intercaladas por puntos calientes brillantes donde nuevas estrellas cobran vida. Ver la explicación de la imagen en el artículo siguiente.

Vista de Herschel de la nube molecular Vela-C

Fecha: 09 de julio de 2012
Satélite: Herschel
Representa: Nube molecular Vela-C
Copyright: ESA / PACS / SPIRE / Tracey Hill & Frédérique Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA / Irfu – CNRS / INSU – Univ. 
Paris Diderot, Francia

El Observatorio Espacial Herschel de la ESA ha captado imágenes de la nube molecular Vela-C, revelando el depósito de gas y polvo de la nube con un detalle sin precedentes. Vela-C es un vivero estelar rico donde se forman estrellas de masa baja, intermedia y alta. La imagen muestra cómo la materia prima a partir de la cual se forman las estrellas se organiza en nidos enredados, así como filamentos densos en forma de crestas, y sugiere que los dos entornos pueden ser responsables de producir diferentes poblaciones de estrellas. La publicación a continuación lo aborda:

El Centro Galáctico es un vivero de formación estelar

El Centro Galáctico en Imagen Infrarroja 
Créditos: NASA , JPL-CaltechTelescopio Espacial SpitzerSusan Stolovy ( SSC / Caltech ) et al.;  Reprocesamiento: Judy Schmidt.

Explicación: ¿Cómo es el centro de nuestra galaxia? En luz visible, el centro de la Vía Láctea está oculto por nubes de polvo y gas que lo oscurecen. Pero en esta impresionante vista, las cámaras infrarrojas del telescopio espacial Spitzer, penetran en la mayor parte del polvo revelando las estrellas de la concurrida región del centro galáctico. Siendo un mosaico de muchas instantáneas más pequeñas, la imagen detallada en falso color muestra las estrellas más viejas y frías en tonos azulados. Las nubes de polvo brillantes rojas y marrones se asocian con estrellas jóvenes y calientes en viveros estelares. Recientemente se ha descubierto que el mismo centro de la Vía Láctea es capaz de formar estrellas recién nacidas. El centro galáctico se encuentra a unos 26.700 años luz de distancia, hacia la constelación de Sagitario.  A esa distancia, esta imagen abarca unos 900 años luz. Crédito: APOD (Astronomy Picture of the Day), Abril 19, 2021.

El lector puede visitar la colección imágenes de APOD (Astronomy Picture of the Day) de viveros estelares: Stellar Nurseries. APOD.

Curiosidades

Una región cercana de formación de estrellas da pistas sobre la formación de nuestro Sistema Solar

Las observaciones de múltiples longitudes de onda de la región de formación de estrellas de Ophiuchus revelan interacciones entre nubes de gas de formación de estrellas y radionucleidos producidos en un cúmulo cercano de estrellas jóvenes. 
La imagen superior (a) muestra la distribución del aluminio-26 en rojo, trazada por las emisiones de rayos gamma. 
El cuadro central representa el área cubierta en la imagen inferior izquierda (b), que muestra la distribución de protoestrellas en las nubes de Ophiuchus como puntos rojos. 
El área en el cuadro se muestra en la imagen inferior derecha (c), una imagen compuesta de color infrarrojo cercano profundo de la nube L1688, que contiene muchos núcleos de gas denso prestelares bien conocidos con discos y protoestrellas (ver imagen más grande a continuación). 
Crédito: Forbes et al., Nature Astronomy 2021.

El complejo de formación estelar de Ophiuchus ofrece un análogo para la formación del Sistema Solar, incluidas las fuentes de elementos que se encuentran en los meteoritos primitivos.

Una región de formación estelar activa en la constelación de Ophiuchus está dando a los astrónomos nuevos conocimientos sobre las condiciones en las que nació nuestro propio Sistema Solar. En particular, un nuevo estudio del complejo de formación estelar de Ophiuchus muestra cómo nuestro Sistema Solar puede haberse enriquecido con elementos radiactivos de corta duración.

El siguiente artículo lo presenta:

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