Como segurar uma estrela morta em sua mão

Objetos no espaço estão bastante distantes. A Lua é nosso vizinho celestial mais próximo a quase 400 mil km da Terra, e a estrela mais próxima, nosso Sol, está a 150 milhões de km de distância.

Essas distâncias extremas significam que geralmente é impossível tocar objetos reais no espaço (não obstante meteoritos que caem no chão). Avanços em astronomia e tecnologia, no entanto, agora permitem que você faça a próxima melhor coisa: mantenha um modelo 3-D de um baseado em dados reais. Cassiopeia A está localizada a cerca de 10.000 anos-luz da Terra. Como isso se compara com nossos objetos cósmicos locais do Sol e da Lua? Um ano-luz é igual à distância que a luz percorre em um ano, ou pouco menos de 6 trilhões de milhas (~ 10 trilhões de km). Isso significa que Cassiopeia A está a impressionantes 60.000.000.000.000.000 milhas (100.000.000.000.000.000 km) da Terra. Mas como está em nossa Via Láctea, está em nosso quintal cósmico, por assim dizer.

A história por trás de um feito tão notável começa com a forma como os astrônomos estudam o espaço. Ao contrário das gerações anteriores de observadores do céu, os astrônomos de hoje observam o Universo em muitos tipos de luz, em todo o espectro eletromagnético. Por meio de telescópios e detectores avançados, os cientistas podem “ver” desde ondas de rádio até raios gama. Por que isso é importante? Precisamos olhar para o Universo em todos os tipos de luzes para começar a entendê-lo. Tome raios-X, por exemplo. Em 1999, o Observatório de raios-X Chandra da NASA foi lançado para observar o Universo de alta energia, incluindo galáxias em colisão, buracos negros e remanescentes de supernovas.

Cassiopeia A remanescente de supernova

Um desses remanescentes de supernova que Chandra estuda é Cassiopeia A. Cerca de 400 anos atrás, em nossa própria galáxia Via Láctea, uma estrela que tinha cerca de 15 a 20 vezes a massa do nosso Sol, detonou em uma explosão de supernova. Se olharmos para a Cassiopeia A em luz óptica, do tipo que o olho humano detecta, vemos uma delicada estrutura filamentar a cerca de 10.000 graus Celsius.

A morte ganha vida na imagem de raios-X da Cassiopeia A do Chandra, no entanto, olhando para o material que é milhões de graus quente. Há tanta energia que aquece o campo de detritos a temperaturas que fazem com que o material brilhe na luz de raios-X.

Processando os dados

Quando um satélite como o Chandra observa um objeto no espaço, sua câmera registra fótons, um pacote de energia que compõe a radiação eletromagnética, também conhecida como luz. As chegadas desses fótons são registradas por detectores a bordo do Chandra e entregues à Terra através da Deep Space Network da NASA, uma série de grandes antenas de rádio em todo o mundo. Os dados são codificados na forma de 1 e 0, e o software científico (de volta à Terra) traduz esses dados em uma tabela que contém o tempo, a energia e a posição de cada fóton que atingiu o detector durante a observação. Os dados são posteriormente processados com software para formar a representação visual do objeto.

Uma vez que os dados estão na forma de uma imagem, cores diferentes podem ser atribuídas a várias fatias de luz detectadas. Por exemplo, uma paleta de cores comum de ordenação cromática é baseada na quantidade de energia e geralmente inclui três camadas: vermelho é aplicado à faixa de energia mais baixa, verde à média e, em seguida, azul à faixa de energia mais alta no conjunto de dados. Quando isso é feito para raios-X detectados para Cassiopeia A, novas e importantes informações são reveladas. Os arcos azuis e finos na imagem mostram onde a aceleração está ocorrendo em uma onda de choque em expansão gerada pela explosão. As regiões vermelha e verde mostram o material da estrela destruída que foi aquecido a milhões de graus pela explosão.

O Observatório de Raios-X Chandra da NASA observou o Cas A muitas vezes ao longo dos 17 anos em que está em operação. A quantidade agregada de tempo de observação é superior a dois milhões de segundos, o que significa que há uma grande quantidade de informações para trabalhar. Os cientistas podem usar esse rico conjunto de dados para ir além de uma imagem estática e vê-la se movendo ao longo do tempo.

Um filme de lapso de tempo dos dados de raios-X do Chandra foi feito combinando observações feitas em 2000, 2002, 2004 e 2007. Os cientistas podem usar isso para medir a velocidade de expansão da borda de ataque da onda de explosão externa. Os pesquisadores descobriram que a velocidade é de cerca de 11 milhões de milhas por hora. Mas isso não é tudo.

Ao combinar raios-X do Chandra com dados infravermelhos de outro observatório da NASA em órbita, o Telescópio Espacial Spitzer, além de informações de luz visível de telescópios no solo, algo especial pode ser feito. Pela primeira vez, uma reconstrução tridimensional de um remanescente de supernova foi criada usando esses dados obtidos em diferentes tipos de luz.

Vídeo de lapso de tempo

Modelagem 3D

Como a Cassiopeia A é o resultado de uma explosão, os detritos estelares estão se expandindo radialmente para fora do centro da explosão. Usando geometria simples e o efeito Doppler, podemos criar um modelo 3-D. Esses dados foram realmente importados para um programa originalmente usado para imagens cerebrais, que foi então modificado para dados astronômicos pelo Astronomical Medicine Project em Harvard.

Visualização 3-D de Cassiopeia A

A visão sobre a estrutura de Cas A obtida a partir desta visualização 3-D é importante para os astrônomos que constroem modelos de explosões de supernovas. Agora, eles devem considerar que as camadas externas da estrela saem esfericamente, mas as camadas internas saem mais parecidas com discos com jatos de alta velocidade em várias direções.

3-D Fly-Through de Cassiopeia A (sem áudio)

Embora este modelo 3-D seja empolgante para os astrônomos que estudam estrelas explodidas, o trabalho em Cassiopeia A não é apenas para especialistas. A colaboração com especialistas da Smithsonian Institution levou à criação da primeira impressão 3-D de um remanescente de supernova com base em dados observacionais. Essa é a história de como um objeto cósmico – ou pelo menos uma representação de um – desceu à Terra. Levou centenas de anos, uma jornada de trilhões de quilômetros e alguns avanços científicos e técnicos incríveis, mas agora qualquer um pode segurar (os restos de) uma estrela morta em suas mãos.

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Como criar seu próprio remanescente de supernova

– Baixe os arquivos 3D

a. Modelo imprimível do remanescente de Cassiopeia A Supernova: Modelo pronto para impressão 3D com suportes: triângulo OBJ de 600k, 27 MB

b. Dados volumétricos remanescentes da Supernova CasA: Arquivos ASCII VTK criados a partir de dados do telescópio: 3,94 MB

c. STL: Comumente aceito por uma ampla gama de impressoras 3D: 28,06 MB

d. Thing: Formato de arquivo proprietário para impressoras da marca Makerbot: 14,31 MB

– Leia as breves instruções

– Selecione a impressora 3D de sua escolha.

Este exemplo (mostrado à esquerda) foi impresso a uma altura de camada de 0,2 mm, 10% de preenchimento, 2 conchas com filamento PLA MakerBot a uma temperatura de extrusora de 215 C com uma jangada e suportes. Para tornar seu modelo impresso em 3D mais preciso, remova o máximo possível do material de suporte e da jangada. Muito cuidado deve ser tomado ao realizar esta tarefa para evitar quebrar os jatos. A maior parte do material quebrará facilmente à mão, mas você pode obter resultados mais precisos com a ajuda de algumas ferramentas. Se você tiver acesso a uma pistola de calor ou secador de cabelo, os fios de plástico que sobraram dos suportes podem ser removidos aplicando rapidamente uma explosão de calor. Tenha cuidado para não superaquecer e derreter o plástico. Além disso, você pode usar uma Dremel ou outra ferramenta rotativa semelhante para lixar pontos ásperos e esculpir algumas das lacunas internas. Como dica final, você pode usar um ferro de solda para soldar um pouco de plástico extra na base dos jatos para reforçá-los.

Isenção de responsabilidade: O Chandra X-ray Center não endossa nenhum produto comercial.

Veja o CONVERSA TEDX

Esta apresentação, gravada no TEDxProvidence em 2016, mostra o processo de transformação e tradução sobre como levar uma supernova para a terceira dimensão. Veja os bastidores de como segurar (os restos de) uma estrela morta em suas mãos (em plástico e em escala muito menor!) com a líder de visualização do Chandra, Kimberly Arcand.