“SHAPE”: El modelaje de objetos astronómicos en tres dimensiones

Cuando los astrónomos adquieren imágenes de galaxias o estrellas embebidas en regiones de gas y polvo cósmico, obtienen su proyección en el plano del cielo y con ello información de su estructura espacial solo en dos dimensiones. ¿Cómo saber cual es la estructura tridimensional de una galaxia, de una región de formación estelar o de una nebulosa gaseosa expulsada por una estrella?

Astrónomos del Instituto de Astronomía de la UNAM en Ensenada han desarrollado una herramienta computacional que les asiste en la interpretación y modelaje tridimensional de los objetos cósmicos sumando a la imagen la información de su velocidad radial (la velocidad a lo largo de la línea de visión). Al conjuntar la imagen (morfología) y la velocidad radial del objeto (cinemática) en muchos objetos se puede reproducir con un alto grado de confiabilidad su estructura tridimensional. El proceso computacional consiste de varias etapas que en su conjunto han sido reunidas en una poderosa herramienta de análisis, denominada ”Shape” por su autor principal, el Dr. Wolfgang Steffen. Este paquete es el primero en su tipo publicado y hecho disponible publicamente a nivel internacional. Esencialmente Shape integra la tecnología de animación tridimensional comúnmente empleada en los efectos especiales de cine, televisión y en los videojuegos a la descripción un sistema astrofísico. A éste se suma información física, como su apariencia y estado de movimiento a distintas longitudes de onda, para desentrañar su estructura general y la forma en que ésta evoluciona con el tiempo. Así, Shape es empleado por los astrónomos en la interpretación de sus datos observacionales de objetos astrofísicos que muestran estructuras y movimientos internos complejos. El sistema permite modelar esta información y visualizarla de una manera adecuada para compararla directamente con las observaciones astronómicas.

El conocimiento de la estructura tridimensional en muchos objetos es absolutamente necesario para entender su naturaleza y su origen. Publicaciones científicas con modelos de Shape incluyen trabajos sobre nebulosas planetarias, gas de alta velocidad en galaxias activas y regiones de hidrógeno ionizado donde se forman las estrellas. Shape es un software de acceso público y puede ser utilizado por cualquier persona que se registre en el sitio de Internet ShapeSite (http://www.astrosen.unam.mx/shape).

Shape ha sido diseñado y desarrollado por el Dr. Wolfgang Steffen, investigador del Instituto de Astronomía de la UNAM en su sede de Ensenada, Baja California, con contribuciones en el área de astrofísica del Dr. José Alberto López, también del IAUNAM-Ensenada, y en el área de programación del estudiante de maestría en Ciencias Computacionales y en Astrofísica Nicholas Koning de la Universidad de Calgary en Canadá. El proyecto de desarrollo y aplicación de Shape se realizó con financiamiento de la UNAM (DGAPA PAPIIT proyectos IN108506, IN111803, IN112103), el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología CONACYT (proyecto 49447). La publicación científica fundamental sobre Shape es: Steffen, W., López, J.A., 2006, Morpho-kinematic modeling of gaseous nebulae with SHAPE, Revista Mexicana de Astronomía y Astrofísica 42, 99-105

Figura 1: La combinación de varias técnicas de observación y visualización de datos en Shape permite un análisis detallado de la estructura tridimensional de nebulosas astronómicas. En el ejemplo de esta figura el movimiento dentro de la nebulosa NGC 6302 fue codificado con diferentes colores. Del lado izquierdo vemos una imagen del objeto, mientras el panel derecho muestra lo que los astrónomos llaman un diagrama de posición-velocidad, en el cual la dirección horizontal es la velocidad y la vertical la posición. Este diagrama se obtiene observando con un espectrógrafo la porción de la imagen cubierta por la zona limitada por las dos rayas verticales en el panel izquierdo. Observando varias regiones de la nebulosa con el espectrógrafo, el astrónomo obtiene información que generalmente permite determinar la estructura tridimensional.

Figura 2: Parte de la interfaz gráfica de Shape para el modelado tridimensional de nebulosas astronómicas.

Figura 3: El hecho que la velocidad del gas en muchas nebulosas es una función de la posición permite la recontrucción de su estructura tridimensional a partir de imágenes e información espectral. En esta figura se ilustra esta idea en base a observaciones reales de la nebulosa planetaria NGC 6302.