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| Los primeros viveros estelares impresos en 3D son esferas muy pulidas del tamaño de una pelota de béisbol, en las que los cúmulos y filamentos que se arremolinan representan nubes de gas y polvo para la formación de estrellas. Los investigadores crearon los modelos utilizando datos de simulaciones de nubes de formación estelar y un proceso de impresión en 3D en el que las densidades y los gradientes a escala fina de las nubes se incrustan en una resina transparente. (Foto de Saurabh Mhatre) |
Los astrónomos no pueden tocar las estrellas que estudian, pero la astrofísica Nia Imara está utilizando modelos tridimensionales que caben en la palma de su mano para desentrañar las complejidades estructurales de las guarderías estelares, las vastas nubes de gas y polvo donde se produce la formación de estrellas.
Imara y sus colaboradores crearon los modelos utilizando datos de simulaciones de nubes de formación estelar y un sofisticado proceso de impresión en 3D en el que las densidades y gradientes a escala fina de las nubes turbulentas se incrustan 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 de formación estelar aparece como cúmulos y filamentos arremolinados.
"Queríamos un objeto interactivo que nos ayudara a visualizar esas estructuras en las que se forman las estrellas para poder entender mejor los procesos físicos", explica Imara, profesor adjunto de astronomía y astrofísica en la UC Santa Cruz y primer autor de un artículo que describe este novedoso enfoque publicado el 25 de agosto en Astrophysical Journal Letters.
Artista y astrofísico, Imara afirma que esta idea es un ejemplo de cómo la ciencia imita al arte. "Hace años, dibujé un retrato mío tocando una estrella. Más tarde, la idea surgió. La formación de estrellas en las nubes moleculares es mi especialidad, así que ¿por qué no intentar construir una?
Trabajó con el coautor John Forbes en el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron para desarrollar un conjunto de nueve simulaciones que representaran diferentes condiciones físicas dentro de las nubes moleculares. La colaboración también incluyó al coautor James Weaver, de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Harvard, que ayudó a convertir los datos de las simulaciones astronómicas en objetos físicos mediante la impresión 3D multimaterial de alta resolución y fotorrealista.
Los resultados son visualmente sorprendentes y científicamente esclarecedores. "Sólo desde el punto de vista estético son realmente sorprendentes, y luego empiezas a notar las complejas estructuras que son increíblemente difíciles de ver con las técnicas habituales para visualizar estas simulaciones", dijo Forbes.
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| 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 zonas más oscuras representan regiones de baja densidad y vacíos. (Foto de Saurabh Mhatre) |
Por ejemplo, las estructuras en forma de lámina o panqueque son difíciles de distinguir en cortes o proyecciones bidimensionales, porque una sección a través de una lámina parece un filamento.
"Dentro de las esferas, se puede ver claramente una lámina bidimensional, y dentro de ella hay pequeños filamentos, y eso es alucinante desde el punto de vista de alguien que intenta entender lo que ocurre en estas simulaciones", dijo Forbes.
Los modelos también revelan estructuras más continuas de lo que parece en las proyecciones 2D, dijo Imara. "Si tienes algo que da vueltas por el espacio, puede que no te des cuenta de que dos regiones están conectadas por la misma estructura, así que tener un objeto interactivo que puedes girar en tu mano nos permite detectar estas continuidades más fácilmente", dijo.
Las nueve simulaciones en las que se basan los modelos se diseñaron para investigar los efectos de tres procesos físicos fundamentales que rigen la evolución de las nubes moleculares: la turbulencia, la gravedad y los campos magnéticos. Al cambiar distintas variables, como la intensidad de los campos magnéticos o la velocidad de movimiento del gas, las simulaciones muestran cómo los distintos entornos físicos afectan a la morfología de las subestructuras relacionadas con la formación de estrellas.
Las estrellas tienden a formarse en cúmulos y núcleos situados en la intersección de los filamentos, donde la densidad del gas y el polvo es lo suficientemente alta como para que la gravedad se imponga. "Creemos que los giros de estas estrellas recién nacidas dependerán de las estructuras en las que se formen: las estrellas de un mismo filamento 'conocerán' los giros de las demás", afirma Imara.
Con los modelos físicos, no hace falta ser un astrofísico experto en estos procesos para ver las diferencias entre las simulaciones. "Cuando miraba las proyecciones en 2D de los datos de la simulación, a menudo era un reto ver sus sutiles diferencias, mientras que con los modelos impresos en 3D, era obvio", dijo Weaver, que tiene una formación en biología y ciencia de los materiales y utiliza habitualmente la impresión en 3D para investigar los detalles estructurales de una amplia gama de materiales biológicos y sintéticos.
"Me interesa mucho explorar la interfaz entre la ciencia, el arte y la educación, y me apasiona utilizar la impresión 3D como herramienta para la presentación de estructuras y procesos complejos de forma fácilmente comprensible", dijo Weaver. "La impresión 3D tradicional basada en la extrusión sólo 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 método utiliza un proceso de impresión 3D similar al de la inyección 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 un detalle exquisito."
Señaló que en el futuro los modelos también podrían incorporar información adicional mediante el uso de diferentes colores para aumentar 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 valiosas herramientas para la educación y la divulgación pública, dijo Imara, que planea utilizarlos en un curso de astrofísica que impartirá este otoño.
Fuentes, créditos y referencias;
Nia Imara et al, Touching the Stars: Using High-resolution 3D Printing to Visualize Stellar Nurseries, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac194e