Toucher les étoiles : les astronomes peuvent désormais tenir des pépinières stellaires entre leurs mains

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Stellar Nursery Models
Modèles de pépinière stellaires

Les premières pépinières stellaires imprimées en 3D sont des sphères hautement polies de la taille d’une balle de baseball, dans lesquelles des touffes et des filaments tourbillonnants représentent des nuages ​​​​de gaz et de poussière formant des étoiles. Les chercheurs ont créé les modèles à l’aide de données provenant de simulations de nuages ​​en formation d’étoiles et d’un processus d’impression 3D sophistiqué dans lequel les densités et les gradients à petite échelle des nuages ​​turbulents sont intégrés dans une résine transparente. Crédit : Photo de Saurabh Mhatre

Les chercheurs peuvent désormais tenir des pépinières stellaires entre leurs mains grâce à l’impression 3D, révélant des caractéristiques souvent obscurcies dans les rendus et les animations traditionnels.

Les astronomes ne peuvent pas toucher les étoiles qu’ils étudient, mais l’astrophysicienne Nia Imara utilise des modèles tridimensionnels qui tiennent dans la paume de sa main pour démêler les complexités structurelles des pépinières stellaires, les vastes nuages ​​​​de gaz et de poussière où se produit la formation des étoiles.

Imara et ses collaborateurs ont créé les modèles à l’aide de données issues de simulations de nuages ​​en formation d’étoiles et d’un processus d’impression 3D sophistiqué dans lequel les densités et les gradients à petite échelle des nuages ​​turbulents sont intégrés dans une résine transparente. Les modèles résultants – les premières pépinières stellaires imprimées en 3D – sont des sphères hautement polies de la taille d’une balle de baseball (8 centimètres de diamètre), dans lesquelles le matériau formant des étoiles apparaît sous forme de touffes et de filaments tourbillonnants.

“Nous voulions un objet interactif pour nous aider à visualiser ces structures où se forment les étoiles afin que nous puissions mieux comprendre les processus physiques”, a déclaré Imara, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à l’UC Santa Cruz et premier auteur d’un article décrivant cette nouvelle approche publiée le 25 août 2021 à Lettres de revues astrophysiques.

Sphère et demi-sphère imprimées en 3D

En plus des sphères représentant neuf simulations différentes, les chercheurs ont également imprimé des demi-sphères pour révéler les données du plan médian. Les matériaux plus clairs correspondent aux régions de densité plus élevée, tandis que les zones plus sombres représentent les régions de faible densité et les vides. Crédit : Photo de Saurabh Mhatre

À la fois artiste et astrophysicienne, Imara a déclaré que l’idée était un exemple de science imitant l’art. « Il y a des années, j’ai dessiné un portrait de moi touchant une étoile. Plus tard, l’idée vient de cliquer. La formation d’étoiles dans les nuages ​​moléculaires est mon domaine d’expertise, alors pourquoi ne pas essayer d’en construire une ? » elle a dit.

Elle a travaillé avec le co-auteur John Forbes du Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics pour développer une suite de neuf simulations représentant différentes conditions physiques dans les nuages ​​moléculaires. La collaboration comprenait également le co-auteur James Weaver de la School of Engineering and Applied Sciences de l’Université Harvard, qui a aidé à transformer les données des simulations astronomiques en objets physiques à l’aide d’une impression 3D multi-matériaux haute résolution et photo-réaliste.

Les résultats sont à la fois frappants visuellement et scientifiquement éclairants. “Seulement esthétiquement, ils sont vraiment incroyables à regarder, puis vous commencez à remarquer les structures complexes qui sont incroyablement difficiles à voir avec les techniques habituelles pour visualiser ces simulations”, a déclaré Forbes.

Par exemple, les structures en forme de feuille ou en forme de crêpe sont difficiles à distinguer dans les tranches ou les projections bidimensionnelles, car une section à travers une feuille ressemble à un filament.

Des intentions fortes

Nia Imara est à la fois astrophysicienne et artiste. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Nia Imara

« Dans les sphères, vous pouvez clairement voir une feuille en deux dimensions, et à l’intérieur se trouvent de petits filaments, et c’est ahurissant du point de vue de quelqu’un qui essaie de comprendre ce qui se passe dans ces simulations », a déclaré Forbes.

Les modèles révèlent également des structures plus continues qu’elles n’apparaissent dans les projections 2D, a déclaré Imara. “Si vous avez quelque chose qui serpente dans l’espace, vous ne réalisez peut-être pas que deux régions sont reliées par la même structure, donc avoir un objet interactif que vous pouvez faire pivoter dans votre main nous permet de détecter ces continuités plus facilement”, a-t-elle déclaré.

Nia Imara Portrait

Nia Imara est à la fois astrophysicienne et artiste. Un portrait d’elle touchant une étoile a finalement conduit à l’idée de créer des modèles physiques de pépinières stellaires. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Nia Imara

Les neuf simulations sur lesquelles les modèles sont basés ont été conçues pour étudier les effets de trois processus physiques fondamentaux qui régissent l’évolution des nuages ​​moléculaires : la turbulence, la gravité et les champs magnétiques. En modifiant différentes variables, telles que la force des champs magnétiques ou la vitesse à laquelle le gaz se déplace, les simulations montrent comment différents environnements physiques affectent la morphologie des sous-structures liées à la formation des étoiles.

Les étoiles ont tendance à se former en touffes et en noyaux situés à l’intersection des filaments, où la densité du gaz et de la poussière devient suffisamment élevée pour que la gravité prenne le relais. “Nous pensons que les spins de ces étoiles nouveau-nées dépendront des structures dans lesquelles elles se forment – les étoiles du même filament” connaîtront “les spins les unes des autres”, a déclaré Imara.

Avec les modèles physiques, il ne faut pas un astrophysicien expert dans ces processus pour voir les différences entre les simulations. « Quand j’ai regardé les projections 2D des données de simulation, il était souvent difficile de voir leurs différences subtiles, alors qu’avec les modèles imprimés en 3D, c’était évident », a déclaré Weaver, qui a une formation en biologie et en science des matériaux et utilise régulièrement Impression 3D pour étudier les détails structurels d’une large gamme de matériaux biologiques et synthétiques.

« Je suis très intéressé par l’exploration de l’interface entre la science, l’art et l’éducation, et je suis passionné par l’utilisation de l’impression 3D comme outil de présentation de structures et de processus complexes d’une manière facilement compréhensible », a déclaré Weaver. « L’impression 3D traditionnelle basée sur l’extrusion ne peut produire que des objets solides avec une surface extérieure continue, ce qui pose problème lorsque l’on essaie de représenter des gaz, des nuages ​​ou d’autres formes diffuses. Notre approche utilise un processus d’impression 3D de type jet d’encre pour déposer de minuscules gouttelettes individuelles de résine opaque à des emplacements précis dans un volume environnant de résine transparente afin de définir la forme du nuage avec des détails exquis.

Il a noté qu’à l’avenir, les modèles pourraient également incorporer des informations supplémentaires grâce à l’utilisation de différentes couleurs pour augmenter leur valeur scientifique. Les chercheurs souhaitent également explorer l’utilisation de l’impression 3D pour représenter les données d’observation des nuages ​​moléculaires proches, tels que ceux de la constellation d’Orion.

Les modèles peuvent également servir d’outils précieux pour l’éducation et la sensibilisation du public, a déclaré Imara, qui prévoit de les utiliser dans un cours d’astrophysique qu’elle enseignera cet automne.

Référence : « Touching the Stars : Using High-resolution 3D Printing to Visualize Stellar Nurseries » par Nia Imara, John C. Forbes et James C. Weaver, 25 août 2021, Lettres de revues astrophysiques.
DOI : 10.3847 / 2041-8213 / ac194e

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