ガス風の縞模様が暗闇を包み込み、ねじれて結び目になり、崩壊して星になります。そして、それはすべて Nia Imara の手のひらの上で起こります。
星が生まれる場所であるガスとちりの嵐のような雲は、科学的な謎のままです。しかし、ビジュアル アーティストであり、カリフォルニア大学サンタ クルーズ校の天体物理学者でもあるイマラは、それらに命を吹き込みます。彼女は分子雲 (いわゆる分子雲) のコンピューター シミュレーションをいじり、乱気流、重力、磁場の設定を調整して、これらのパラメーターが内部で猛威を振るう嵐にどのように影響するかを調べます。次に、彼女はデータを 3D プリンターで野球サイズの樹脂の球体にキャストします — レイヤーごとに、1 枚の紙の厚さの 3 分の 1 です。星の超音波のこれらの彫刻は、Imara が星の形成を導くプロセスをこれまで以上に詳しく研究するのに役立ちました.
Imara は、分子雲の理解において過去 10 年間で大きな進歩を遂げました。彼女の調査は、宇宙の所属の探求から生まれました。私たちの体の要素の多く - 生命に必要な要素 - は星で鍛えられました.そして、星の「祖父母」と「親」は、イマラの言葉で言えば、分子雲の中で渦巻く水素原子と分子です。カリフォルニア出身のイマラは、カリフォルニア大学バークレー校の大学院生として雲の特性の研究を始め、2010 年に同校で初めて黒人女性として天体物理学の博士号を取得しました。
その後、ハーバード大学のポスドク研究員として、イマラはチリの一連の電波望遠鏡であるアタカマ大型ミリ波/サブミリ波アレイ (ALMA) を使用して、遠方の矮小銀河の分子雲を高解像度で観測しました。さまざまな雲を比較することで、彼女は宇宙の冷たい暗闇の中で構造とパターンを識別することを学びました.彼女は、新世代の星が形成される可能性が高い領域を強調し、銀河の星形成率が銀河の塵の特性とともにどのように進化するかのモデルを開発しました。
元素の系図を研究することで、Imara は「私たちは皆つながっています。文字通り、私たちは皆星から来ているのです」と思い出す。彼女は科学を「すべての人類の生得権」と見なしており、有色人種が科学に完全に参加して恩恵を受けることを妨げている体系的な人種差別に対抗することに力を注いでいます。 2 年前、彼女は非営利団体を立ち上げ、有色人種の学生に数学と科学の無料の個別指導を提供しています。 Imara は最近、カリフォルニア大学サンタ クルーズ校とガーナ電波天文台とのパートナーシップも開始しました。ガーナ電波天文台は、西アフリカの科学者によって管理および運用されている通信アンテナを改造した望遠鏡です。
クォンタ マガジン は最近、星が生まれる前に見たいという彼女の試みについて、イマラと話しました。インタビューは、わかりやすくするために要約および編集されています。
基本から始めましょう。星が形成される仕組みについて、これまでにわかっていることは何ですか?
星は私たちに光を与えてくれますが、星の命は暗闇から始まります。星が形成されるためには、核融合が起こり始めるのに十分な密度までガスが圧縮できる星間空間の条件が必要です。しかし、宇宙の多くの領域は実際には非常に高温であり、多くの場合、原子から電子を剥ぎ取ってイオン化するほど高温であり、イオン化されたガスは圧縮に抵抗します。そのため、星の形成を見るときはいつでも、分子雲または星の苗床と呼ばれるこれらの広大な複合体の中にあり、そこではガスはほとんど中性です。雲の中で起こる物理的プロセスは、ガスが冷えるのを助け、重力が有効になり、それを星に圧縮することができます.
これらの優れた苗床自体がどのように形成されるかについては、未解決の問題がまだたくさんあります。
それはなぜですか?雲の研究が難しい理由は何ですか?
分子雲の主成分は水素分子で、これは 2 つの水素原子が結合したものです。しかし、水素分子は、その量子力学的性質のために、実際には検出が非常に困難です。その上、分子雲内の星間塵は、これらの領域に関連する光学および紫外線の多くを覆い隠し、検出をさらに困難にします.
では、雲の中はどのように見えますか?
トレーサー分子、つまりこれらの雲の中に存在する他の化合物に頼らなければなりません。一酸化炭素は私たちが使用する主な分子であり、水素分子よりもはるかに少ないですが、2 番目に豊富な分子です。また、一酸化炭素は、雲の質量や体積密度など、測定に関心のある全体的な特性を推測するために使用できるほど明るく輝いています。また、ダストを使用して星の苗床の特性を追跡することもできます。
ほこりが観測の妨げになっていると思いました。でも、ちりから星の形成についても学べるとおっしゃっていますよね。
塵は多くの天体物理学者の悩みの種ですが、私は塵が大好きです。なぜなら、それは何か興味深く有用なことを教えてくれるからです.
粉塵は水素分子の形成を促進し、水素分子は粉塵粒子の表面で最も効率的に形成されます。そのため、星を形成するガスがある場所には通常、塵があり、星の光を吸収してより長い波長で再放出します。塵が星の光を消す様子や、塵が再放射する光を観察することで、塵を使って恒星の苗床の特性や星形成に関連するプロセスを追跡することができます。
しかし、その飛躍を遂げるには、たとえば、ダストの放射を星形成率に関連付けるには、温度などのダストの特性について仮定する必要がありますが、これは簡単なことではありません。銀河の星間塵をよりよく理解するために、同僚と私はモデルを構築して、塵の質量と温度が他の銀河の特性 (星の質量や星形成率など) と宇宙時間にわたってどのように変化するかを追跡しました。
確かに、あなたが光学天文学者であれば、注意を怠ると、ほこりがあらゆる種類の問題を引き起こす可能性があります.しかし、星の形成に興味がある人にとって、塵は恐れるものではありません。塵は、これらの雲の内部で何が起こっているかをマッピングするもう 1 つの方法です。
では、雲の中で何が起こっているのでしょうか?
分子雲の写真を見ると、分子雲の形状が非常に複雑であることがわかります。それらはすべて、この複雑で精巧な構造を持っています。多くの点で、それらは本質的に球として近似できる星よりも形態学的にはるかに複雑です。分子雲は、フィラメントと呼ばれるこれらの長く細い、高密度の構造で満たされています。そして、私たちが星の形成を発見する傾向がある雲の中の場所は、これらのフィラメントの密集した交差点にあります.これは、崩壊して星を生成する可能性が最も高い最も密度の高いガスです。
フィラメントは星の形成を助けていますか?
そう思います。私たちは、巨大な分子雲の複雑な部分構造が実際に星の形成に重要な役割を果たしていることを理解するようになりました.たとえば、ペルセウス座にあるカリフォルニア分子雲の内部には、中央に X のように見える小さな領域があり、これを特定して California-X と名付けました。私たちの一酸化炭素観測から、その構造がガスの流れを星形成の局所的な場所に注ぎ込んでいることがわかりました。
しかし、ここで、これらのプロセスを研究するのが非常に難しい別の理由を見つけます。分子雲は精巧で、その複雑な形状が星の形成に結びついていることがわかっています。しかし、私たちが持っているそれらの画像は平面的です — それらは本質的に 2 次元です。三次元で何が起こっているかを知りたいのです。画像の深度内のガスの密度について最善の推測を行うには、物理学について知っていることを使用する必要があります。私たちの理解は、何が起こっているのかを視覚的に解釈する能力、つまり目にする特定のパターンを識別して特徴付ける能力に依存しています。また、2 次元の画像を見ていると、いくつかの重要な情報を見逃す可能性があります。
あなたは 3D プリントされたオーブでそのデータを 3 次元に持ち込むことができました。分子雲の内部の仕組みについて彫刻から学べることは何ですか?
私たちが学んできたことの 1 つは、分子雲の内部構造がいかに連続的であるかということです。恒星の苗床は、ガスが滑らかに分布しているだけではありません。非常に塊状で繊維状です。また、平面図を見ていると、特定の構造が雲の深さまでどの程度伸びているかがわからないことがよくあります。しかし、この 3D プリント オブジェクトのようなツールがあれば、それは本質的にインタラクティブであり、雲の中を曲がりくねった構造を見ることができます。
プリントは、さまざまな種類の下部構造を区別するのにも役立ちます。たとえば、フィラメントを 2 つの空間次元で見ている場合、実際には横から見ているだけの 2 次元のシートである可能性があります。そして、それを平面図で、あるいはコンピューター シミュレーションでさえ、理解するのは困難です。しかし、3D プリントを使用すると、これらのシート状の構造が雲の中に広がっているのを見ることができ、これは興味をそそる可能性を高めます。私たちが目にするフィラメントのいくつかは実際にはシートであるかもしれませんし、シートはフィラメントの前駆体のようなものかもしれません。私たちは、分子雲の形成から星の誕生に至るまでのすべての段階をつなぎ合わせることに非常に関心があります。
最近、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡を使って、これらの星形成領域の 1 つを新しい視点で見てきました。カリーナ星雲の写真に対する反応はどうでしたか?
りゅうこつ星雲の JWST 画像は驚くほど美しいです。私が天文学に恋をし続けるのは、このようなイメージです。私はよく生徒たちに、星と星の間は空っぽではない、と言い、このような写真は夜空を見ているときに本当に想像力をかきたてます.
このカリーナの新しい画像を、同じ地域の以前のハッブル画像と比較するのは興味深いことです。新しい画像は、雲の内部構造の多くを明らかにしています。以前は見えなかった場所に、ガス、かすかな若い星、原始星ジェットが見えます。近赤外線の目で、私たちは恒星の苗床の心臓部をより近くでのぞき見し始めます.
星形成の研究に加えて、最初の発見にも貢献しました 天の川の外にある候補惑星 去年。どうしてそうなったのですか?
知られている太陽系外惑星の大部分は、主星の光の変化からその存在を推測することによって発見されています。惑星が星の前を横切ると、星の光の明るさが低下し、惑星が星を引っ張ると周波数が変化します。 Rosanne Di Stefano が率いる私たちのグループは、系外惑星の探索に新しいアプローチを取ることにしました。光学的な光ではなく、特定の種類のコンパクトな連星から放出される明るい X 線を探しました。この連星では、伴星の 1 つが中性子星、白色矮星、またはブラック ホールです。この X 線放出は非常に強力で非常にコンパクトであるため、惑星が前を通過すると、かなり目立つ信号が生成されるはずです。この技術の良い結果は、これらの痕跡をはるかに遠い距離で検出できるようになることです。これは、別の銀河で最初の太陽系外惑星の候補を発見した方法です。遠すぎて従来の方法では検出できませんでした。
近くにたくさんの銀河があるのに、なぜわざわざ他の銀河の惑星を研究する必要があるのですか?
自分の裏庭で起こっていることに基づいて、宇宙全体について推測することはできません。この候補は、知られているすべての系外惑星よりも地球からはるかに離れていることに加えて、私たちが慣れ親しんでいるよりも進化のずっと後の段階にある星の周りでも検出されました。これは、私たち自身の銀河からの観測のみを使用していた場合、説明できなかった可能性がある状況です.
同様に、私たちは天の川だけの星形成の理論を持ちたくありません — 普遍的な理論が欲しいのです。矮小銀河の研究が好きなのは、矮小銀河が宇宙で最も一般的なタイプの銀河であるだけでなく、天の川とは異なる環境での星形成の優れた天体物理学研究所でもあるからです。矮小銀河は、天の川銀河のような大質量銀河に比べて、重元素の存在量が少ない。この点で、重元素が不足していた可能性のある、宇宙で最も初期の銀河のいくつかに似ている可能性があると考えています。
あなたの研究は、視覚化が難しいことで有名な天文学的プロセスの研究に集中しています。アーティストとしてのアイデンティティは、科学的な質問をしたり答えたりする方法にどのように影響しますか?
私は何年も前に描いたこのスケッチを持っています — 星に触れている自分の自画像です。想像力は科学を行う上で大きな役割を果たします。私はよく、これらの環境に近づくとどうなるかを想像します。アーティストと天文学者の両方として、自然界で何が起こっているのかを注意深く観察し、物事がどのように見えるかを本当に理解しようとする必要があります.私のイメージへの親近感と物事を視覚化したいという欲求は、間違いなく私の科学的好奇心に影響を与えていると思います。結局のところ、天文学は光と画像の科学です。
最終的に、アートは私のアイデンティティの別の次元にすぎません。おそらく、私が理解しているよりも神秘的な方法で私の作品に影響を与えているでしょう.
