Q&A: Holly Jackson on building a cosmic family tree

霍莉·杰克逊并不认为自己是天文学家，但她的工作为本世纪该领域一些最惊人和最原始的研究做出了贡献。作为电子工程和计算机科学专业的大三学生，Jackson已经成为智利圣地亚哥波塔莱斯大学天文系Paula Jofre教授研究团队的重要成员。

作为麻省理工学院国际实习项目MISTI的参与者，杰克逊于2019年前往圣地亚哥，远早于Covid-19大流行导致全球面对面国际交流中断之前。从那以后，她一直在马萨诸塞州剑桥市的公寓里远程工作，与英国的智利天文团队和生物学家一起建立银河系恒星的“系谱图”。在这里，Jackson讨论了她最近的工作。

问:许多人可能对生物学中的进化一词很熟悉，但你却将它应用于宇宙。恒星群是如何“进化”的?

答:我不是天文学家，所以我必须在项目一开始就向我解释这一点!从本质上讲，今天宇宙中存在的每一颗恒星(只要它没有剧烈爆炸)，都是恒星诞生时星系中特定区域化学成分的蓝图。基本上，大爆炸产生了最轻的元素，比如氢和氦，这导致了第一批恒星的形成。当第一批恒星死亡时，它们将处理过的化学物质捐赠给星系，以便在下一次恒星形成浪潮中循环使用。随着这个过程的继续，在千兆年的跨度内，你开始看到恒星中大多数元素的增量增加。

从本质上讲，每一颗恒星都像是它诞生时的确切化学组成和可用元素范围的化石，因此化学进化作为一个研究领域，在天文学中已经存在了一段时间。到目前为止，这个过程的重点是根据它们的化学模式对恒星进行分类，原则上，这允许我们找到化学上相似的恒星，并追踪它们的起源，如果我们有它们的年龄和运动学数据。而且天文学家经常发现自己陷入了恒星年龄、化学组成和运动学的不确定性中，阻碍了对进化关系的定义。以前从来没有人将生物进化的概念如DNA或亲代家谱联系起来，这引入了一种新的类方法来帮助克服这些挑战。

《华尔街日报》:但这种情况正在改变，这在一定程度上要归功于你与宝拉·乔佛里(Paula Jofre)正在进行的展示明星“家谱”的研究。

答:在经典天体物理学中，追踪恒星起源有两种方法，第一种是比较化学元素的丰度。如果两颗恒星有非常相似的化学反应，那么它们很可能是在同一时间在同一气体云中诞生的。但当它们有不同的化学成分时，就很难追溯它们的起源。这就是第二种方法——恒星运动学——的作用所在:追踪恒星的轨迹，找出它的来源。但是你在这些方法中使用的所有值都有很大的不确定性;你可以反向传播这些值，然后意识到“哦，不，我正在比较的所有星星都可能来自相同的地方。”

因此，我们一直使用恒星化学作为DNA，用进化生物学家通过系统发生学处理信息的方式:换句话说，我们正在绘制进化树。

问:你研究的物体的一个关键特征是它们离我们非常非常远。你是如何穿越如此遥远的距离来了解这些恒星的组成的呢?

答:目前，由于欧洲太空任务盖亚(Gaia)的合作，有关恒星化学丰度的数据正在大量增加。在很短的时间内，几次基于地面的光谱调查创造了数千至数百万个恒星数据。这类似于Genbank的收集，是遗传学研究中可用数据的爆炸式增长。

所以我们有了所有这些数据，但它不一定能解释DNA和元素丰度是完全不同的测量结果这一事实。这是我们项目中一个有趣的组成部分，我们也遇到了很多怀疑:我们正在处理30个不同的十进制丰度测量值，有很大的误差空间，但DNA只有四个字母。进化生物学家告诉我们一个很酷的事情当进化生物学领域刚刚起步的时候他们也在处理类似的问题;他们会用连续的十进制测量方法来测量性状，而这些测量方法，因为它们是高度主观的，产生的数据有很多错误。例如，我们可以想象早期进化生物学家试图通过测量狗腿的长度来追踪狗的进化;你可以想象两个人用不同的方式测量不同的狗的腿并得到一些非常混乱的数据。但是，令人惊讶的是，这并不意味着生物学家最初的树没有意义，或者在创建有效的模型方面没有影响力。

我们所处的起点与那些早期生物学家非常相似。我们现在可以使用这些高质量的数据来补充盖亚任务，而我们一直用来分析这些数据的evo-bio方法已经特别适合于天体物理学框架。我们已经研究了哪些特定的技术在天文学中有最多的相似之处，正是这些工作使得这些方法在追踪恒星演化方面超级有效。

问:正如你所说，既然如此多的恒星数据都有很大的不确定性，那么当你的理论应用到任何给定的恒星上时，你如何验证它?换句话说:你怎么知道你是对的?

A:有几种方法。首先，有一颗恒星我们非常了解:我们自己的太阳!作为参考点，太阳是超级有用的，而我们关于太阳的数据是我们所能得到的最高质量的化学丰度数据。因此，我们使用了“太阳双胞胎”的数据集，这些恒星与太阳具有相似的特性，这给了我们一个优势，也给了我们一组已知的数据。

此外，我们还采用了生物学的验证方法，如稳定性分析，它可以在进化树上执行，以查看各种关系的强度。我们选取了一棵有79颗恒星(包括太阳本身)的离太阳非常近的树，分析了这棵树产生的关系，然后将它们与流行的天体物理学理论联系起来。它成功了:不仅时间轴匹配，树的结构也匹配。我们发现了我们这棵树的结构与盖亚-土卫二合并后恒星快速演化时期之间的联系。我们还将树状图与人马座星系在某一时刻与银河系相撞的证据联系起来。

记住:我们的树不是用天文学的方法产生的。它是用生物学的这些方法产生的，但它产生的结果与当前的天文发现一致。

问:请告诉我这项研究面临的一些挑战，特别是考虑到Covid-19大流行。

A:一件好事是，我们一直都有很好的设备来处理远程通信。参与该项目的所有进化生物学家都在英国;天文学家们在智利的圣地亚哥;我现在在美国，然而，大流行带来了挑战，圣地亚哥的政治动荡也带来了挑战，政治动荡导致我们主要的天文学家，Paula Jofre的大学暂时关闭。所以每个人都在家工作;两名团队成员都有小孩，当然这真的很疯狂，但谢天谢地，每个人都非常体贴和理解。我们所有人都把这项工作作为我们的第二承诺，但这让每个人对挑战有了更多的理解。如果没有大流行，这项工作将会发布得更早，但我们一直在努力。

问:你与Paula Jofre合作的结果是学到什么技能?这段经历如何使你成为一名更好的科学家?

答:在开始这个项目之前，我对天文学一无所知，所以这是我第一次接触天文学。宝拉是一个令人难以置信的清晰和创造性的解释者，并以一种令人难以置信的直观方式呈现这些概念。她处理项目的无畏精神激发了我未来想要的工作方式。她不害怕跨学科研究或她的工作将如何被接受。她收到了很多关于天文学的评论——天文学可能是一个非常传统的领域，而她也是一位女物理学家，她展示了这部大胆的新作品，它将生物学理论应用于天文学。你猜怎么着?这项工作已经变得非常有影响力，她2017年的论文让她入选了《时代周刊》100强。她是一个令人敬畏的人，除此之外，她还是一个技术娴熟的研究员，她可以在几周内向工程师解释天体物理学;就是不可思议的。请留意她即将发行的新书，这本书讲述了银河的历史故事，并交织着女科学家们的励志故事!

问:你的研究提出了哪些问题，你下一步想要解决?

答:一方面，这项工作具有挑战性，因为它验证了一种研究银河系化学演化的新方法。结合各种技术以及进一步发展这种技术有很大的潜力;我们并没有把它作为当前方法的替代，因为当前方法是有效的。但这种新方法可以与旧方法相结合。例如，人们会进行化学模拟，试图重现银河系的演化，但结果却无法接近，但如果我们将化学模拟与系统发育技术相结合，我们可能有潜力揭示更多的东西，而不仅仅是这两种方法中的任何一种。

此外，我们现在使用的是系统遗传学中最简单的方法，但在进化生物学中也有一些疯狂的东西，包括一个概率模型，在这个模型中，你输入大量数据，了解你认为进化系统的行为方式。我们可以使用天文学的黄金标准方法和生物学的黄金标准方法来创造一幅真正令人信服的银河系关系地图，我对此感到非常兴奋。

我们刚刚发布了预印本，我的收件箱被吓到了——不仅有天文学家的回复，还有其他领域对这个跨学科领域感兴趣的人。天文学家阅读这篇论文时，与生物学家阅读这篇论文时，会有非常不同的观点，但他们的观点都将有助于改进和改进这个方法。当你能同时处理两个你不常看到的领域时，这就是最酷的研究的来源。