Gli astronomi non possono toccare le stelle che studiano, ma l'astrofisica Nia Imara sta usando modelli tridimensionali che stanno nel palmo della sua mano per svelare le complessità strutturali dei vivai stellari, le vaste nubi di gas e polvere dove avviene la formazione stellare.

Imara e i suoi collaboratori hanno creato i modelli utilizzando i dati delle simulazioni di nuvole che formano stelle e un sofisticato processo di stampa 3D in cui le densità e i gradienti su piccola scala delle nuvole turbolente sono incorporati in una resina trasparente. I modelli risultanti, i primi asili nido stellari stampati in 3D, sono sfere lucidate delle dimensioni di una palla da baseball (8 centimetri di diametro), in cui il materiale che forma le stelle appare come grumi e filamenti vorticosi.

"Volevamo un oggetto interattivo che ci aiutasse a visualizzare quelle strutture in cui si formano le stelle in modo da poter comprendere meglio i processi fisici, " disse Imara, un assistente professore di astronomia e astrofisica presso l'UC Santa Cruz e primo autore di un articolo che descrive questo nuovo approccio pubblicato il 25 agosto in Lettere per riviste astrofisiche .

Artista oltre che astrofisico, Imara ha detto che l'idea è un esempio di scienza che imita l'arte. "Anni fa, Ho abbozzato un ritratto di me stesso che tocca una stella. Dopo, l'idea è appena scattata. La formazione stellare all'interno delle nubi molecolari è la mia area di competenza, quindi perché non provare a costruirne uno?" ha detto.

Ha lavorato con il coautore John Forbes presso il Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute per sviluppare una suite di nove simulazioni che rappresentano diverse condizioni fisiche all'interno delle nuvole molecolari. La collaborazione ha incluso anche il coautore James Weaver della School of Engineering and Applied Sciences dell'Università di Harvard, che ha contribuito a trasformare i dati delle simulazioni astronomiche in oggetti fisici utilizzando la stampa 3D multimateriale ad alta risoluzione e fotorealistica.

I risultati sono sia visivamente sorprendenti che scientificamente illuminanti. "Solo esteticamente sono davvero incredibili da guardare, e poi inizi a notare le strutture complesse che sono incredibilmente difficili da vedere con le solite tecniche di visualizzazione di queste simulazioni, " ha detto Forbes.

Per esempio, strutture a forma di foglio o pancake sono difficili da distinguere in fette o proiezioni bidimensionali, perché una sezione attraverso un foglio sembra un filamento.

"All'interno delle sfere, puoi vedere chiaramente un foglio bidimensionale, e dentro ci sono piccoli filamenti, e questo è sbalorditivo dal punto di vista di qualcuno che sta cercando di capire cosa sta succedendo in queste simulazioni, " ha detto Forbes.

I modelli rivelano anche strutture più continue di quanto sembrerebbero nelle proiezioni 2D, ha detto Imara. "Se hai qualcosa che si snoda nello spazio, potresti non renderti conto che due regioni sono collegate dalla stessa struttura, quindi avere un oggetto interattivo che puoi ruotare nella tua mano ci permette di rilevare queste continuità più facilmente, " lei disse.

Le nove simulazioni su cui si basano i modelli sono state progettate per indagare gli effetti di tre processi fisici fondamentali che governano l'evoluzione delle nubi molecolari:turbolenza, gravità, e campi magnetici. Modificando diverse variabili, come la forza dei campi magnetici o la velocità con cui si muove il gas, le simulazioni mostrano come diversi ambienti fisici influenzino la morfologia delle sottostrutture legate alla formazione stellare.

Le stelle tendono a formarsi in gruppi e nuclei situati all'intersezione dei filamenti, dove la densità del gas e della polvere diventa abbastanza alta da permettere alla gravità di prendere il sopravvento. "Pensiamo che gli spin di queste stelle appena nate dipenderanno dalle strutture in cui si formano:le stelle nello stesso filamento "saranno" gli spin dell'altro, " disse Imara.

Con i modelli fisici, non ci vuole un astrofisico esperto in questi processi per vedere le differenze tra le simulazioni. "Quando ho guardato le proiezioni 2D dei dati di simulazione, era spesso difficile vedere le loro sottili differenze, mentre con i modelli stampati in 3D, era ovvio, " disse Tessitore, che ha un background in biologia e scienza dei materiali e utilizza abitualmente la stampa 3D per studiare i dettagli strutturali di un'ampia gamma di materiali biologici e sintetici.

"Sono molto interessato ad esplorare l'interfaccia tra scienza, arte, e istruzione, e mi appassiona utilizzare la stampa 3D come strumento per la presentazione di strutture e processi complessi in modo facilmente comprensibile, "Ha detto Weaver. "La stampa 3D tradizionale basata sull'estrusione può produrre solo oggetti solidi con una superficie esterna continua, e questo è problematico quando si cerca di rappresentare, gas, nuvole, o altre forme diffuse. Il nostro approccio utilizza un processo di stampa 3D simile al getto d'inchiostro per depositare minuscole goccioline individuali di resina opaca in punti precisi all'interno di un volume circostante di resina trasparente per definire la forma della nuvola con dettagli squisiti".

Ha notato che in futuro i modelli potrebbero anche incorporare informazioni aggiuntive attraverso l'uso di colori diversi per aumentare il loro valore scientifico. I ricercatori sono anche interessati ad esplorare l'uso della stampa 3D per rappresentare i dati osservativi dalle nuvole molecolari vicine, come quelli della costellazione di Orione.

I modelli possono anche fungere da validi strumenti per l'istruzione e la sensibilizzazione del pubblico, disse Imara, che ha intenzione di usarli in un corso di astrofisica che insegnerà questo autunno.