Ο αστροφυσικός που σμιλεύει τα αστέρια πριν γεννηθούν

Οι λωρίδες αερίου τυλίγονται μέσα από το σκοτάδι, στρίβοντας σε κόμπους που είναι έτοιμοι να καταρρεύσουν σε αστέρια. Και όλα συμβαίνουν στην παλάμη του χεριού της Nia Imara.

Τα θυελλώδη σύννεφα αερίου και σκόνης όπου γεννιούνται τα αστέρια παραμένουν επιστημονικά αινίγματα. Αλλά η Imara, η οποία είναι εικαστικός καθώς και αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, τους φέρνει στη ζωή. Παίζει με προσομοιώσεις μοριακών νεφών σε υπολογιστή (όπως ονομάζονται), προσαρμόζοντας τις ρυθμίσεις αναταράξεων, βαρύτητας και μαγνητικού πεδίου για να δει πώς αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν τις καταιγίδες που μαίνονται μέσα τους. Στη συνέχεια ρίχνει τα δεδομένα σε σφαίρες ρητίνης μεγέθους μπέιζμπολ με έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή — στρώμα-στρώμα, κάθε ένα τρίτο του πάχους ενός φύλλου χαρτιού. Αυτά τα γλυπτά αστρικών υπερήχων έχουν βοηθήσει την Imara να μελετήσει τις διαδικασίες που καθοδηγούν τον σχηματισμό των άστρων πιο στενά από ποτέ.

Η Imara έχει κάνει σημαντικές προόδους την τελευταία δεκαετία στην κατανόηση των μοριακών νεφών. Η έρευνά της ξεκίνησε από μια αναζήτηση κοσμικής ιδιοκτησίας. Πολλά από τα στοιχεία στο σώμα μας - στοιχεία απαραίτητα για τη ζωή - σφυρηλατήθηκαν στα αστέρια. Και οι «παππούδες» και οι «γονείς» των άστρων, σύμφωνα με τα λόγια του Imara, είναι τα άτομα και τα μόρια του υδρογόνου που στροβιλίζονται μέσα στα μοριακά σύννεφα. Η Ιμάρα, καταγωγή από Καλιφόρνια, άρχισε να μελετά τις ιδιότητες των νεφών ως μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, όπου το 2010 έγινε η πρώτη μαύρη γυναίκα του σχολείου που κέρδισε το διδακτορικό της στην αστροφυσική.

Στη συνέχεια, ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ο Imara χρησιμοποίησε τη συστοιχία Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), μια σειρά ραδιοτηλεσκοπίων στη Χιλή, για να παρατηρήσει μοριακά νέφη σε υψηλή ανάλυση σε μακρινούς νάνους γαλαξίες. Συγκρίνοντας διάφορα σύννεφα, έχει μάθει να εντοπίζει δομές και μοτίβα στο κρύο σκοτάδι του διαστήματος. Έχει επισημάνει περιοχές όπου είναι πιθανό να σχηματιστούν νέες γενιές άστρων και ανέπτυξε ένα μοντέλο για το πώς ο ρυθμός σχηματισμού άστρων σε έναν γαλαξία εξελίσσεται παράλληλα με τις ιδιότητες της σκόνης του γαλαξία.

Η μελέτη της γενεαλογίας των στοιχείων υπενθυμίζει στον Imara ότι «είμαστε όλοι συνδεδεμένοι — κυριολεκτικά, όλοι προερχόμαστε από αστέρια». Θεωρεί την επιστήμη ως «το εκ γενετής δικαίωμα όλης της ανθρωπότητας» και δεσμεύεται να βοηθήσει στην εξουδετέρωση του συστημικού ρατσισμού που εμποδίζει τους έγχρωμους να συμμετάσχουν και να επωφεληθούν πλήρως από την επιστήμη. Πριν από δύο χρόνια, ξεκίνησε έναν μη κερδοσκοπικό οργανισμό που προσφέρει δωρεάν μαθήματα μαθηματικών και φυσικών επιστημών σε έγχρωμους μαθητές. Η Imara ξεκίνησε επίσης πρόσφατα μια συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ και του Ραδιοαστρονομικού Παρατηρητηρίου της Γκάνας, ένα τηλεσκόπιο που ανακαινίστηκε από ένα τηλεπικοινωνιακό πιάτο που διαχειρίζονται και λειτουργούν επιστήμονες στη Δυτική Αφρική.

Περιοδικό Quanta μίλησε πρόσφατα με την Imara για τις προσπάθειές της να δει αστέρια πριν γεννηθούν. Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

Ας ξεκινήσουμε με τα βασικά. Τι γνωρίζουμε μέχρι στιγμής για το πώς σχηματίζονται τα αστέρια;

Αν και τα αστέρια μας δίνουν φως, η ζωή ενός αστεριού ξεκινά στο σκοτάδι. Για να σχηματιστεί ένα αστέρι, χρειαζόμαστε συνθήκες στο διαστρικό χώρο όπου το αέριο μπορεί να συμπιεστεί σε αρκετά υψηλή πυκνότητα, ώστε να μπορεί να αρχίσει να πραγματοποιείται πυρηνική σύντηξη. Αλλά πολλές περιοχές του διαστήματος είναι στην πραγματικότητα αρκετά ζεστές - συχνά αρκετά ζεστές για να αφαιρέσουν τα άτομα από τα ηλεκτρόνια τους και να τα ιονίσουν - και το ιονισμένο αέριο ανθίσταται στη συμπίεση. Έτσι, κάθε φορά που βλέπουμε αστέρια να σχηματίζονται, βρίσκονται μέσα σε αυτά τα τεράστια συμπλέγματα που ονομάζουμε μοριακά νέφη ή αστρικά φυτώρια, όπου το αέριο είναι σε μεγάλο βαθμό ουδέτερο. Οι φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα μέσα στα σύννεφα βοηθούν το αέριο να κρυώσει, έτσι ώστε η βαρύτητα να γίνει αποτελεσματική και να το συμπιέσει σε αστέρια.

Όσο για το πώς σχηματίζονται αυτά τα αστρικά φυτώρια, υπάρχουν ακόμα πολλά ανοιχτά ερωτήματα.

Γιατί είναι αυτό; Τι κάνει τα σύννεφα τόσο δύσκολο να μελετηθούν;

Το κύριο συστατικό των μοριακών νεφών είναι το μόριο υδρογόνου, το οποίο είναι δύο άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα μεταξύ τους. Αλλά το μοριακό υδρογόνο είναι πραγματικά δύσκολο να ανιχνευθεί λόγω των κβαντομηχανικών ιδιοτήτων του. Επιπλέον, η διαστρική σκόνη μέσα στα μοριακά σύννεφα κρύβει μεγάλο μέρος του οπτικού και υπεριώδους φωτός που σχετίζεται με αυτές τις περιοχές, γεγονός που καθιστά ακόμη πιο δύσκολο τον εντοπισμό τους.

Τότε πώς βλέπετε μέσα στα σύννεφα;

Πρέπει να καταφύγουμε σε μόρια ιχνηθέτη - άλλες ενώσεις που υπάρχουν μέσα σε αυτά τα σύννεφα. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι το κύριο μόριο που χρησιμοποιούμε, και παρόλο που είναι πολύ λιγότερο άφθονο από το μοριακό υδρογόνο, είναι το δεύτερο πιο άφθονο μόριο. Και το μονοξείδιο του άνθρακα λάμπει αρκετά έντονα ώστε να μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για να συμπεράνουμε τις συνολικές ιδιότητες που μας ενδιαφέρει να μετρήσουμε, όπως η μάζα και η πυκνότητα όγκου ενός σύννεφου. Μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε τη σκόνη για να εντοπίσουμε τις ιδιότητες των αστρικών φυτωρίων.

Νόμιζα ότι η σκόνη εμπόδιζε τις παρατηρήσεις. Αλλά λέτε ότι μπορούμε επίσης να μάθουμε για το σχηματισμό άστρων από τη σκόνη.

Η σκόνη είναι ο όλεθρος πολλών αστροφυσικών, αλλά μου αρέσει η σκόνη γιατί μας λέει κάτι ενδιαφέρον και χρήσιμο.

Η σκόνη διευκολύνει το σχηματισμό μορίων υδρογόνου, τα οποία σχηματίζονται πιο αποτελεσματικά στην επιφάνεια των κόκκων σκόνης. Έτσι, όπου υπάρχει αέριο που σχηματίζει αστέρια, συνήθως υπάρχει σκόνη, η οποία απορροφά το φως των αστεριών και το εκπέμπει εκ νέου σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Παρατηρώντας τον τρόπο με τον οποίο η σκόνη σβήνει το φως των αστεριών ή παρατηρώντας το φως που εκπέμπει εκ νέου, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη σκόνη για να εντοπίσουμε τις ιδιότητες των αστρικών φυτωρίων, καθώς και τις διαδικασίες που σχετίζονται με το σχηματισμό άστρων.

Αλλά για να κάνετε αυτό το άλμα - για να συνδέσετε την ακτινοβολία σκόνης με τον ρυθμό σχηματισμού άστρων, για παράδειγμα - πρέπει να κάνετε υποθέσεις σχετικά με τις ιδιότητες της σκόνης, όπως η θερμοκρασία της, κάτι που μπορεί να είναι μη τετριμμένο. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη διαστρική σκόνη στους γαλαξίες, οι συνάδελφοί μου και εγώ κατασκευάσαμε ένα μοντέλο για να εντοπίσουμε πώς η μάζα και η θερμοκρασία της σκόνης ποικίλλουν με άλλες γαλαξιακές ιδιότητες — όπως η αστρική μάζα και ο ρυθμός σχηματισμού αστεριών — κατά τη διάρκεια του κοσμικού χρόνου.

Σίγουρα αν είστε οπτικός αστρονόμος, η σκόνη μπορεί να προκαλέσει κάθε είδους προβλήματα αν δεν είστε προσεκτικοί. Αλλά για τους ανθρώπους που ενδιαφέρονται για το σχηματισμό άστρων, η σκόνη δεν είναι κάτι που πρέπει να φοβούνται - είναι ένας άλλος τρόπος για να χαρτογραφήσουμε τι συμβαίνει μέσα σε αυτά τα σύννεφα.

Και τι συμβαίνει μέσα στα σύννεφα;

Όταν κοιτάμε φωτογραφίες μοριακών νεφών, διαπιστώνουμε ότι είναι εξαιρετικά περίπλοκα όσον αφορά τη γεωμετρία τους. Έχουν όλη αυτή την περίπλοκη, περίτεχνη δομή. Από πολλές απόψεις, είναι πολύ πιο περίπλοκα μορφολογικά από ένα αστέρι, το οποίο μπορεί ουσιαστικά να προσεγγιστεί ως σφαίρα. Τα μοριακά σύννεφα είναι γεμάτα με αυτές τις μακριές, λεπτές, υπερβολικά πυκνές δομές που ονομάζονται νήματα. Και τα μέρη μέσα στα σύννεφα όπου τείνουμε να βρίσκουμε αστέρια να σχηματίζονται είναι στις πυκνές διασταυρώσεις αυτών των νημάτων. Είναι το αέριο υψηλότερης πυκνότητας που είναι πιο πιθανό να καταρρεύσει και να δημιουργήσει αστέρια.

Βοηθούν τα νημάτια να σχηματιστούν αστέρια;

Νομίζουμε ότι ναι. Καταλάβαμε ότι οι πολύπλοκες υποδομές στα γιγάντια μοριακά νέφη παίζουν στην πραγματικότητα κρίσιμο ρόλο στον σχηματισμό των άστρων. Για παράδειγμα, μέσα στο Μοριακό Νέφος της Καλιφόρνια, το οποίο βρίσκεται στον αστερισμό του Περσέα, υπάρχει αυτή η μικρή περιοχή στο κέντρο που μοιάζει με Χ, την οποία εντοπίσαμε και ονομάσαμε Καλιφόρνια-Χ. Από τις παρατηρήσεις μας στο μονοξείδιο του άνθρακα, συλλέξαμε ότι η δομή του διοχετεύει ρεύματα αερίου σε τοπικές τοποθεσίες σχηματισμού αστεριών.

Αλλά εδώ βρίσκουμε έναν άλλο λόγο για τον οποίο αυτές οι διαδικασίες είναι τόσο δύσκολο να μελετηθούν. Γνωρίζουμε ότι τα μοριακά νέφη είναι περίτεχνα και ότι η σύνθετη γεωμετρία τους είναι συνδεδεμένη με το σχηματισμό άστρων. Αλλά οι εικόνες που έχουμε από αυτούς είναι επίπεδες - είναι εγγενώς δισδιάστατες. Θέλουμε να έχουμε μια αίσθηση του τι συμβαίνει στην τρίτη διάσταση. Πρέπει να χρησιμοποιήσουμε όσα γνωρίζουμε για τη φυσική για να κάνουμε τις καλύτερες εικασίες μας σχετικά με την πυκνότητα του αερίου στο βάθος της εικόνας. Η κατανόησή μας εξαρτάται από την ικανότητά μας να ερμηνεύουμε οπτικά αυτό που συμβαίνει — να αναγνωρίζουμε και να χαρακτηρίζουμε ορισμένα μοτίβα που βλέπουμε. Και μπορεί να χάσουμε ορισμένες κρίσιμες πληροφορίες όταν εξετάζουμε δισδιάστατες εικόνες.

Καταφέρατε να φέρετε αυτά τα δεδομένα στην τρίτη διάσταση με τις 3D εκτυπωμένες σφαίρες σας. Τι σας διδάσκουν τα γλυπτά για την εσωτερική λειτουργία των μοριακών νεφών;

Ένα από τα πράγματα που έχουμε μάθει είναι πόσο συνεχής είναι συχνά η εσωτερική δομή των μοριακών νεφών. Τα αστρικά φυτώρια δεν είναι απλώς ομαλές κατανομές αερίου - είναι πολύ κολλώδεις και νηματώδεις. Και όταν κοιτάμε μια επίπεδη εικόνα, συχνά δεν μπορούμε να πούμε πόσο μακριά εκτείνεται μια συγκεκριμένη δομή στο βάθος του σύννεφου. Αλλά όταν έχουμε ένα εργαλείο όπως αυτό το τρισδιάστατο εκτυπωμένο αντικείμενο, είναι εγγενώς διαδραστικό και μπορούμε να δούμε μια δομή να περιστρέφεται κατά κάποιο τρόπο στο σύννεφο.

Οι εκτυπώσεις μας βοηθούν επίσης να διακρίνουμε διαφορετικούς τύπους υποδομών. Για παράδειγμα, εάν κοιτάζετε ένα νήμα σε δύο χωρικές διαστάσεις, μπορεί στην πραγματικότητα να είναι ένα δισδιάστατο φύλλο που απλά κοιτάτε στο πλάι του. Και αυτό είναι δύσκολο να διαπιστωθεί σε μια επίπεδη εικόνα — ή ακόμα και σε μια προσομοίωση υπολογιστή. Αλλά με τις τρισδιάστατες εκτυπώσεις, μπορούμε να δούμε αυτές τις δομές σαν φύλλα να εκτείνονται μέσα από τα σύννεφα και αυτό δημιουργεί δελεαστικές δυνατότητες. Ίσως μερικά από τα νήματα που βλέπουμε να είναι στην πραγματικότητα φύλλα ή ίσως ένα φύλλο να είναι κάπως πρόδρομος ενός νήματος. Μας ενδιαφέρει πραγματικά να συνδυάσουμε όλα τα στάδια που οδηγούν από το σχηματισμό ενός μοριακού νέφους στη γέννηση ενός αστεριού.

Τελευταία, είδαμε μια από αυτές τις περιοχές σχηματισμού άστρων με νέο φως με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Ποια ήταν η αντίδρασή σας στη φωτογραφία Carina Nebula;

Η εικόνα JWST του νεφελώματος Carina είναι εκπληκτική — τόσο όμορφη. Είναι εικόνες σαν κι αυτές που με κάνουν να συνεχίζω να ερωτεύομαι την αστρονομία. Λέω συχνά στους μαθητές ότι ο χώρος ανάμεσα στα αστέρια δεν είναι κενός και μια εικόνα σαν αυτή πραγματικά δελεάζει τη φαντασία όταν κοιτάζεις τον νυχτερινό ουρανό.

Είναι ενδιαφέρον να συγκρίνετε αυτήν τη νέα εικόνα της Carina με την προηγούμενη εικόνα Hubble της ίδιας περιοχής. Η νέα εικόνα αποκαλύπτει τόσα πολλά από την εσωτερική δομή του νέφους:Βλέπουμε αέριο, αδύναμα νεαρά αστέρια και πρωτοαστρικούς πίδακες όπου δεν βλέπαμε πριν. Με μάτια κοντά στο υπέρυθρο, αρχίζουμε να κοιτάμε πιο κοντά στις καρδιές των αστρικών φυτωρίων.

Εκτός από τη μελέτη του σχηματισμού αστεριών, βοηθήσατε επίσης στην ανακάλυψη του πρώτου υποψήφιος πλανήτης εκτός του Γαλαξία πέρυσι. Πώς έγινε αυτό;

Η συντριπτική πλειονότητα των γνωστών εξωπλανητών έχει ανακαλυφθεί με το συμπέρασμα της παρουσίας τους από παραλλαγές στο φως του αστέρα ξενιστή τους. Βλέπουμε το φως του αστεριού να πέφτει σε φωτεινότητα όταν ένας πλανήτης διασχίζει μπροστά του ή να μετατοπίζεται σε συχνότητα εάν ένας πλανήτης τον τραβάει. Η ομάδα μας, με επικεφαλής τη Rosanne Di Stefano, αποφάσισε να ακολουθήσει μια νέα προσέγγιση στην αναζήτηση εξωπλανητών. Αντί για οπτικό φως, αναζητήσαμε φωτεινές ακτίνες Χ που εκπέμπονται από έναν συγκεκριμένο τύπο συμπαγούς δυαδικού αστέρα, όπου ένας από τους συντρόφους είναι αστέρι νετρονίων, λευκός νάνος ή μαύρη τρύπα. Επειδή αυτή η εκπομπή ακτίνων Χ είναι τόσο έντονη και τόσο συμπαγής, όταν ένας πλανήτης περνά μπροστά, θα πρέπει να παράγει ένα αρκετά αξιοσημείωτο σήμα. Μια ωραία συνέπεια αυτής της τεχνικής είναι ότι θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή την ανίχνευση αυτών των υπογραφών σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις, έτσι ανακαλύψαμε τον πρώτο υποψήφιο εξωπλανήτη σε άλλο γαλαξία — πολύ μακριά για να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους.

Γιατί να ασχολείσαι με τη μελέτη πλανήτων σε άλλους γαλαξίες όταν υπάρχουν τόσοι πολλοί κοντά;

Δεν μπορούμε ποτέ να κάνουμε υποθέσεις για ολόκληρο το σύμπαν με βάση το τι συμβαίνει στην αυλή μας. Εκτός από το ότι είναι πολύ πιο μακριά από τη Γη από όλους τους γνωστούς εξωπλανήτες, αυτός ο υποψήφιος εντοπίστηκε επίσης γύρω από ένα αστέρι που βρίσκεται σε πολύ μεταγενέστερο στάδιο της εξέλιξής του από ό,τι έχουμε συνηθίσει. Αυτή είναι μια κατάσταση που μπορεί να μην είχαμε υπολογίσει εάν χρησιμοποιούσαμε παρατηρήσεις μόνο από τον δικό μας γαλαξία.

Ομοίως, δεν θέλουμε να έχουμε μια θεωρία σχηματισμού άστρων μόνο για τον Γαλαξία μας - θέλουμε μια καθολική θεωρία. Μου αρέσει να μελετώ τους νάνους γαλαξίες γιατί όχι μόνο είναι ο πιο κοινός τύπος γαλαξιών στο σύμπαν, είναι επίσης εξαιρετικά αστροφυσικά εργαστήρια για σχηματισμό άστρων σε περιβάλλοντα διαφορετικά από τον Γαλαξία. Οι νάνοι γαλαξίες έχουν μικρότερη αφθονία βαρέων στοιχείων σε σύγκριση με μεγαλύτερους γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας. Από αυτή την άποψη, πιστεύουμε ότι μπορεί να είναι παρόμοιοι με μερικούς από τους πρώτους γαλαξίες του σύμπαντος, οι οποίοι μπορεί να είχαν έλλειψη βαρέων στοιχείων.

Η έρευνά σας επικεντρώθηκε στη μελέτη αστρονομικών διεργασιών που είναι εμφανώς δύσκολο να απεικονιστούν. Πώς επηρεάζει η ταυτότητά σου ως καλλιτέχνη τον τρόπο που θέτεις και απαντάς επιστημονικά ερωτήματα;

Έχω αυτό το σκίτσο που σχεδίασα πριν από χρόνια - μια αυτοπροσωπογραφία του εαυτού μου να αγγίζει ένα αστέρι. Η φαντασία είναι ένα τεράστιο μέρος του τι σημαίνει να κάνεις επιστήμη, και συχνά φαντάζομαι πώς θα ήταν να βρίσκεσαι κοντά σε αυτά τα περιβάλλοντα. Ως καλλιτέχνης και ως αστρονόμος, πρέπει να είσαι προσεκτικός παρατηρητής του τι συμβαίνει στη φύση και πραγματικά να προσπαθείς να καταλάβεις πώς μοιάζουν τα πράγματα. Νομίζω ότι η συγγένειά μου με τις εικόνες και η επιθυμία μου να οπτικοποιώ πράγματα τροφοδοτούν σίγουρα την επιστημονική μου περιέργεια. Άλλωστε, η αστρονομία είναι πραγματικά η επιστήμη του φωτός και των εικόνων.

Τελικά, η τέχνη είναι απλώς μια άλλη διάσταση της ταυτότητάς μου — και πιθανότατα επηρεάζει τη δουλειά μου με τρόπους πιο μυστηριώδεις από όσο καταλαβαίνω.