天体物理学家在恒星诞生之前就对其进行雕刻

研究元素的谱系提醒伊玛拉“我们都是相互联系的——从字面上看，我们都来自星星。”她将科学视为“全人类与生俱来的权利”，并致力于帮助抵制阻止有色人种充分参与和受益于科学的系统性种族主义。两年前，她创办了一家非营利组织，为有色人种学生提供免费的数学和科学辅导。伊马拉最近还发起了加州大学圣克鲁斯分校和加纳射电天文台之间的合作伙伴关系，这是一个由西非科学家管理和操作的电信盘翻新的望远镜。

Quanta 杂志最近采访了 Imara，谈到了她试图在星星出生之前看到它们。为清晰起见，采访经过浓缩和编辑。

让我们从基础开始。到目前为止，我们对恒星是如何形成的了解多少？

虽然星星给了我们光明，但星星的生命始于黑暗。为了形成恒星，我们需要星际空间中的气体可以压缩到足够高的密度以开始发生核聚变的条件。但是许多空间区域实际上非常热——通常热到足以剥离原子的电子并将它们电离——而电离的气体可以抵抗压缩。因此，每当我们看到恒星形成时，它们就位于我们称之为分子云或恒星托儿所的巨大复合体中，其中气体基本上是中性的。云中发生的物理过程有助于气体冷却，以便重力可以发挥作用并将其压缩成恒星。

至于这些恒星托儿所本身是如何形成的，还有很多悬而未决的问题。

这是为什么？是什么让云这么难研究？

分子云的主要成分是氢分子，它是两个氢原子键合在一起。但分子氢实际上很难检测，因为它具有量子力学特性。最重要的是，分子云中的星际尘埃掩盖了与这些区域相关的大部分光学和紫外线，这使得它们更难被发现。

那你怎么看云里面的？

我们必须求助于示踪分子——这些云中存在的其他化合物。一氧化碳是我们使用的主要分子，虽然它的含量远低于分子氢，但它是第二丰富的分子。一氧化碳的亮度足以让我们用它来推断我们有兴趣测量的整体特性，例如云的质量和体积密度。我们还可以使用尘埃来追踪恒星托儿所的特性。

我认为灰尘阻碍了观察。但你是说我们也可以从尘埃中了解恒星的形成。

尘埃是许多天体物理学家的祸根，但我喜欢尘埃，因为它告诉我们一些有趣和有用的东西。

尘埃促进了氢分子的形成，氢分子在尘埃颗粒表面形成的效率最高。因此，在有恒星形成气体的地方，通常有尘埃，它们吸收星光并以更长的波长重新发射。通过观察尘埃熄灭星光的方式，或者观察它重新发出的光，我们可以使用尘埃来追踪恒星托儿所的特性以及与恒星形成相关的过程。

但要实现这一飞跃——例如，将尘埃辐射与恒星形成率联系起来——你必须对尘埃的特性做出假设，比如它的温度，这可能是一件很不容易的事情。为了更好地了解星系中的星际尘埃，我和我的同事们建立了一个模型来追踪尘埃的质量和温度如何随其他星系特性（如恒星质量和恒星形成率）在宇宙时间内发生变化。

当然，如果您是光学天文学家，如果您不小心，灰尘可能会导致各种问题。但对于对恒星形成感兴趣的人来说，尘埃并不可怕——它是另一种描绘这些云内部情况的方法。

云内部发生了什么？

当我们查看分子云的图片时，我们发现它们的几何形状极其复杂。它们具有所有这些错综复杂的结构。在许多方面，它们在形态上比恒星要复杂得多，恒星基本上可以近似为一个球体。分子云中充满了这些长而细、密度过大的结构，称为细丝。在云中，我们往往会发现恒星形成的地方是这些细丝的密集交汇处。它是密度最高的气体，最有可能坍缩并产生恒星。

细丝是否有助于恒星形成？

我们是这样认为的。我们已经了解到，巨大分子云中的复杂子结构实际上在恒星形成中发挥着关键作用。例如，在位于英仙座的加利福尼亚分子云内部，中心有一个看起来像 X 的小区域，我们将其识别并命名为 California-X。从我们对一氧化碳的观察中，我们了解到它的结构是将气流汇集到当地的恒星形成地点。

但在这里，我们找到了为什么这些过程如此难以研究的另一个原因。我们知道分子云是复杂的，它们复杂的几何形状与恒星的形成有关。但是我们拥有的它们的图像是平面的——它们本质上是二维的。我们想要了解第三维度中正在发生的事情。我们必须使用我们对物理学的了解来对图像深度内的气体密度做出最好的猜测。我们的理解取决于我们以视觉方式解释正在发生的事情的能力——识别和表征我们看到的某些模式。当我们查看二维图像时，我们可能会错过一些关键信息。

您设法用您的 3D 打印球体将这些数据带入了三维空间。这些雕塑教你什么关于分子云的内部运作？

我们一直在学习的一件事是分子云的内部结构通常是多么连续。恒星托儿所不仅仅是气体的平滑分布——它们非常块状和丝状。当我们在看一张平面图片时，我们常常无法分辨出某个结构延伸到云层深处的距离。但是当我们拥有像这个 3D 打印对象这样的工具时，它本质上是交互式的，我们可以看到一种结构在云中蜿蜒曲折。

这些印刷品还帮助我们区分不同类型的子结构。例如，如果您正在查看二维空间中的细丝，它实际上可能是您正在查看的二维片材。这在平面图片甚至计算机模拟中都难以辨认。但是通过 3D 打印，我们能够看到这些片状结构在云层中延伸，这带来了诱人的可能性。也许我们看到的一些细丝实际上是薄片，或者薄片可能是细丝的前体。我们真的很想拼凑从分子云形成到恒星诞生的所有阶段。

最近，我们用詹姆斯韦伯太空望远镜以全新的视角看到了其中一个恒星形成区域。你对船底座星云的照片有什么反应？

船底座星云的 JWST 图像令人惊叹——如此美丽。正是这些图像让我不断爱上天文学。我经常告诉学生，星星之间的空间不是空的，这样的画面真的很让人看夜空时的想象力。

将这张船底座的新图像与同一区域之前的哈勃图像进行比较是很有趣的。新图像揭示了云的大量内部结构：我们看到了以前没有看到的气体、微弱的年轻恒星和原恒星喷流。用近红外眼睛，我们开始更近距离地凝视恒星托儿所的心脏。

除了研究恒星的形成，您去年还帮助发现了银河系以外的第一颗候选行星。那是怎么发生的？

绝大多数已知的系外行星都是通过根据主星光线的变化推断它们的存在而发现的。当行星从它前面经过时，我们会看到恒星的光亮度下降，或者如果行星拉扯它，它的频率会发生变化。我们由 Rosanne Di Stefano 领导的小组决定采用一种新方法来寻找系外行星。我们寻找的不是光学光，而是由某种类型的致密双星发出的明亮 X 射线，其中一个伴星是中子星、白矮星或黑洞。因为这种 X 射线发射是如此强烈且如此紧凑，所以当一颗行星从前面经过时，它应该会产生一个非常明显的信号。这种技术的一个很好的结果是，它可以在更远的距离上检测到这些特征，这就是我们在另一个星系中发现第一个系外行星候选者的方式——距离太远，无法使用传统方法检测。

当附近有这么多行星时，为什么还要费心研究其他星系中的行星呢？

我们永远不能根据我们自己后院发生的事情对整个宇宙做出假设。除了比所有已知的系外行星离地球更远之外，这个候选者还在一颗恒星周围被发现，该恒星的演化阶段比我们习惯的要晚得多。如果我们仅使用来自我们自己星系的观测结果，我们可能无法考虑这种情况。

同样，我们不希望有一个仅针对银河系的恒星形成理论——我们想要一个普遍的理论。我喜欢研究矮星系，因为它们不仅是宇宙中最常见的星系类型，而且还是在与银河系不同的环境中形成恒星的优秀天体物理实验室。与银河系等质量更大的星系相比，矮星系的重元素丰度较低。在这方面，我们认为它们可能类似于宇宙中一些最早的星系，这些星系可能缺乏重元素。

你的研究集中在研究众所周知的难以想象的天文过程。您作为艺术家的身份如何影响您提出和回答科学问题的方式？

我有这张我多年前画的素描——我自己触摸一颗星星的自画像。想象力是做科学的重要组成部分，我经常想象靠近这些环境会是什么样子。作为艺术家和天文学家，你必须仔细观察自然界发生的事情，并真正尝试了解事物的样子。我认为我对图像的喜爱和对事物形象化的渴望肯定会激发我的科学好奇心。毕竟，天文学真的是光和图像的科学。

归根结底，艺术只是我身份的另一个维度——它可能以比我理解的更神秘的方式影响着我的作品。