Nowa technika wizualizacji umożliwia zrozumienie powstawania gwiazd

Nowa technika wizualizacji umożliwia zrozumienie powstawania gwiazd

31.12.2008

Nowa technika wizualizacji komputerowej opracowana przez Harvard IIC (Harvard Initiative in Innovative Computing) pozwoliła astrofizykom odkryć, że grawitacja ma większe niż dotąd sądzono znaczenie w oddziaływaniach zachodzących we wnętrzach ogromnych obłoków molekularnych, z których powstają gwiazdy. Wyniki, które zostały opublikowane w styczniowym numerze magazynu Nature są zilustrowane z wykorzystaniem nowej technologii umożliwiającej użytkownikom dostęp do trójwymiarowych modeli wewnątrz dokumentów opublikowanych w powszechnie dostępnym formacie PDF.

Nie ma możliwości dostrzeżenia detali obłoku molekularnego, jeżeli nie analizuje się go w trzech wymiarach

prof. Alyssia Goodman

Badaniami kierowała profesor astronomii Alyssi Goodman z Wydziału Sztuki i Nauki (Harvard’s Faculty of Arts and Sciences), Centrum Astrofizyki Haevard-Smithsonian (CfA) oraz stworzonej przez nią Inicjatywy dla Innowacyjnego wykorzystania Komputerów (IIC – Initiative in Innovative Computing). Goodman wraz ze współpracownikami wykorzystała technologie IIC aby zbadać dane astronomiczne zebrane dla gigantycznego obłoku molekularnego.

Według prof. Goodman wcześniejsze technologie nie pozwalały na szczegółowe badanie struktur określonych przez nią jako hierarchiczne – obszarów przestrzeni we wnętrzu większych obszarów – co uniemożliwiało zauważenie specyficznych szczegółów obłoku molekularnego takich jak zagnieżdżone regiony o różnej gęstości oraz fizycznych granic pomiędzy nimi. „Nie ma możliwości dostrzeżenia tych detali jeżeli nie analizuje się ich w trzech wymiarach.”

Michael Halle – naukowiec pracujący na IIC oraz instruktor radiologii na Wydziale Medycznym Harvarda potwierdza, że badania pokazują jak krytyczną rolę odgrywają techniki wizualizacji danych dla procesów analizy i odkryć, a nie tylko jako sposób prezentacji zebranych danych po tym, jak zostały zanalizowane i zrozumiane: -” uczymy się naszych danych poprzez wizualizację i interakcję. Możemy zebrać całość danych, wybiórczo je filtrować i patrzeć na nie pod różnym kątem.”

Halle wskazuje na IIC jako niezwykle ważne forum, dzięki któremu naukowcy z różnych dziedzin mogą pracować razem: -” Bez infrastruktury umożliwiającej wspólne prowadzenie badań z dostępem do rozmaitych, multidyscyplinarnych zasobów te badania nie byłyby możliwe.”

Zespół wykorzystał narzędzia stworzone w ramach projektu „medycyny astronomicznej” (A-M) kierowanego przez Halle, w którym techniki stworzone do obrazowania medycznego są stosowane w bieżących badaniach astronomicznych. Aby zobrazować obłok molekularnych w trzech wymiarach wykorzystano program 3D Slicer projektu A-M, który został oryginalnie stworzony do analizy obrazów medycznych.

Jednak kluczowy okazał się nowy algorytm zaprojektowany przez Eryka Rosołowskiego z Uniwersytetu British Columbia, który udostępnia wyniki w postaci dendrogramu – hierarchicznej reprezentacji danych. Dzięki dendrogramowi naukowcy mogli stworzyć trójwymiarowe prezentacje danych, które następnie analizowali z różnych punktów obserwacji.

Dane, które uzyskano w ramach projektu COMPLETE (COordinated Molecular Probe Line Extinction Thermal Emission) będącego przeglądem regionów gwiazdotwórczych mierzącego emisję cząstek tlenku węgla wewnątrz obłoków. Tlenek węgla jest wykorzystywany jako wskaźnik atomów wodoru stanowiących gro masy obłoków, z których powstają gwiazdy. W mroźnej przestrzeni kosmosu wodór emituje bardzo małe ilości energii stąd konieczne jest wykorzystanie bardziej aktywnej substancji wskaźnikowej.

Symulacje komputerowe są kluczowym narzędziem do zrozumienia procesów zachodzących w obłokach molekularnych – bowiem tylko w ten sposób astronomowie mogą zobaczyć co dzieje się w trakcie milionów lat prowadzących do narodzin nowej gwiazdy. Wcześniejsze modele zakładały, że ze względu na fakt iż grawitacja słabo oddziałuje na duże odległości efekty jej oddziaływania w obłokach są pomijalne do momentu, kiedy atomy wodoru są już bardzo blisko siebie. Te popularne modele zakładają, że większość zmian wewnątrz obłoków zachodzi w wyniku turbulencji (fal ciśnienia), i dopiero gdy turbulencje popchną cząstki do siebie oddziaływania grawitacyjne zaczynają mieć znaczenie. Gdy powstaną gęstsze obszary i grawitacja zaczyna oddziaływać wówczas przyciągają one coraz więcej cząstek do czasu gdy albo coś im przeszkodzi, albo zbiorą wystarczającą ilość masy by rozpoczął się proces zapadania prowadzący do narodzin gwiazdy.

Badania zespołu prof. Goodman skupiły się na procesach poprzedzających powstanie owych zagęszczeń. Ich analiza wskazuje, że fale ciśnienia (turbulencje) nie stanowią jedynej istotnej siły popychającej gaz – lecz oddziaływania grawitacyjne zdają się mieć również znaczący wkład w procesy zachodzące w obłoku. A to oznacza, że aktualne modele, które pomijają oddziaływania grawitacyjne, dają w wyniku zbyt wysoki wskaźnik tempa powstawania gwiazd w obłokach molekularnych.

Wyniki badań opublikowano w nowatorski sposób poprzez konwersję do trójwymiarowego modelu w dokumencie PDF. Po raz pierwszy w ten sposób zaprezentowane zostaną dane naukowe (wcześniej wykorzystywano tę metodę jedynie w reklamie i projektowaniu procesów produkcji). Konwersja danych z 3-D Slicera do formatu PDF została wykonana za pomocą oprogramowania nowozelandzkiej firmy Right Hemisphere. Jej właściciel – Mark Thomas mówi: -” Sądzimy że wykorzystanie 3-D w publikacji Harvarda i magazynu Nature to kamień milowy w historii druku i jesteśmy dumni, że mogliśmy uczestniczyć w tym przedsięwzięciu.”

Źródło:

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *