Време за четене: 7 минути
Мюонната томография е неинвазивна изследователска техника, която е възможна благодарение на частиците, пътуващи през космоса с почти скоростта на светлината. И разкрива тайни, заровени дълбоко в древни пирамиди и вулкани.
До 13 октомври 2016 г. Мехди Тайюби вече знаеше, че неговият проект ScanPyramids е на прав път. Това беше денят, в който Тайюби и неговият екип се срещнаха с комисия от египтолози, за да им разкажат за малката, неизвестна досега кухина, която бяха открили в северната стена на пирамидата на Хуфу, известна още като Голямата пирамида в Гиза. Проектът ScanPyramids беше започнал само 12 месеца по-рано, но вече даваше обещаващи резултати.
След това по-късно, през 2017 г., удари злато: огромна празнина беше открита дълбоко в пирамидата на 4500 години. Въпреки че точната ориентация на празнотата беше неизвестна, екипът на Тайюби успя да потвърди, че тя е дълга около 30 метра и се намира над Голямата галерия – коридорът, свързващ стаята на кралицата с камерата, съдържаща саркофага на фараона Хуфу. Това е първата голяма нова структура, открита в пирамидата от 19-ти век насам.
„Не знаем дали тази голяма празнина е хоризонтална или наклонена. Не знаем дали тази празнота е направена от една структура или няколко последователни структури. Това, в което сме сигурни, е, че тази голяма празнота е налице, че е впечатляваща и че не е била очаквана – доколкото знам – от каквато и да е теория“, каза Тайюби, когато новината излезе през ноември 2017 г.
Но може би по-впечатляващ от двете открития беше фактът, че те бяха направени, докато пирамидата остана съвършено непокътната. Не е имало нови разкопки или демонтаж на конструкцията. Стените на камерите не бяха пробити и не се отвориха запечатани коридори.
Екипът на ScanPyramids надникна дълбоко във варовиковите блокове, подредени, за да оформят стените на високата 140 метра гробница, и идентифицира кухини в тях, за които никой не знаеше, че съществуват. И това, което направи възможен този удивителен подвиг, беше техника, известна като мюонна томография, която позволява на учените да изследват места, които преди са били недостъпни.
Мюонната томография е малко като изследване на космоса наобратно. Вместо да използва инструменти, конструирани на Земята, за да изследва космоса, той разчита на космическите лъчи, произведени в космоса, за да се рови в нещата на Земята.
Космическите лъчи са високоенергийни частици, които летят през космоса със скорост, близка до тази на светлината. Те са произведени от Слънцето, свръхнови събития извън Слънчевата система и дори от Големия взрив. Те пътуват във всички посоки през цялото време и има толкова много от тях, че постоянно се сблъскват с молекулите на кислорода и азота в земната атмосфера. В този момент те задействаха каскада от други частици, подобно на бяла топка, която разбива глутница червени в игра на снукър.
„[Когато] високоенергийна космическа частица удари горните слоеве на атмосферата, тя произвежда голям поток от частици“, обяснява проф. Ралф Кайзер, физик от университета в Глазгоу. „Повечето от тези частици са спрени в атмосферата. Но някои от тях стигат чак до земята. И това обикновено са мюони.
Мюонът е елементарна частица, подобна на електрона, но 200 пъти по-тежка. Това, че са толкова тежки и се движат толкова бързо, им дава по-голяма способност да проникват през плътен материал в сравнение с други видове радиация, като рентгенови или гама лъчи. Но за разлика от рентгеновите и гама лъчите, мюоните на космическите лъчи не увреждат материала, през който преминават.
„[Мюоните могат] да преминат десетки метри бетон. Те също ще преминат през тялото ви, без да направят нищо“, казва Кайзер. „Те са вездесъщи, проникващи и безплатни. Те са навсякъде и са част от естествената среда.“
Накратко, мюоните са точното нещо, за да надникнете в структури, в които не можете да влезете, структури като запечатани камери в пирамиди, затворени пещери в археологически обекти и канали във вулкани. Номерът за това обаче е да се уловят мюоните, които са преминали през структурата, и да се използват за създаване на образ на това, което е вътре.
Д-р Джовани Македонио, главният изследовател на проекта MUon RAdiography of VESuvius (MURAVES), сравнява процеса с получаване на рентгенова снимка. Когато между източника на рентгенови лъчи и камерата има обект, да речем ръката ви, ръката ви поглъща част от рентгеновите лъчи, преминаващи през него. Различните плътности на кожата, мускулите, кръвоносните съдове и костите определят колко от рентгеновите лъчи достигат до камерата – колкото по-плътни са тези неща, толкова повече рентгенови лъчи абсорбират.
„[По същество] виждаме сенките на различните части“, казва Македонио. Колкото по-светли са сенките, толкова по-плътна е частта и, въоръжени с това знание, е възможно да се направи разлика между частите вътре. Същият принцип се прилага за мюонната томография и обектите, като Везувий, които се използват за изследване.
„Вместо рентгенови лъчи имаме мюони“, казва Македонио. „Мюоните идват от всички посоки около Земята, но ние се интересуваме от тези, които пътуват близо до хоризонтално, така че да могат да проникнат във вулкана. Мюоните, които преминават по целия път през Везувий, създават сянка зад него. Поставяйки мюонни детектори наблизо, Македонио и колегите му могат да генерират изображение на тази сянка, да проучат плътността на материалите, изобразени в нея, и да започнат да разграничават структурите във Везувий.
Но изучаването на нещо толкова голямо като вулкан изисква търпение, защото мюоните са малки и само около 100 от тях удрят даден квадратен метър в секунда. Така че, въпреки че може постоянно да бомбардират Земята, събирането на достатъчно от тях, за да предостави полезна информация за нещо с размерите на Везувий, отнема известно време.
„Потокът от мюони не е силен“, казва Македонио. „Повечето от тях са погълнати от вулкана, така че ни трябва много време – трябват ни месеци.“
Така че, когато в крайна сметка получите снимка, какво можете да направите с нея? Можете ли да го използвате, за да предвидите изригвания? Не, не точно. Но това, което можете да направите, е да разберете връзката между геометрията на вулканичните канали и стила на изригванията.
По-специално, какви условия могат да причинят облаци пепел (които могат да заземят самолети и да срутят покриви) или пирокластични потоци (бързо движещи се, свръхнагорещени смеси от скални фрагменти и газове, способни да изгорят всичко по пътя си), ако Везувий изригне. И ако комбинирате тази информация със сеизмични и метеорологични данни, можете да предупредите или евакуирате всеки, който може да бъде в опасност, когато се очаква изригване.
Последните постижения в технологията за изображения дават възможност на мюонната томография да намери все по-голям набор от приложения, но техниката не е нова. Инженерът Е. П. Джордж го използва, за да провери количеството материал над мина в Австралия през 1955 г., по-малко от 20 години след откриването на мюона (от Карл Андерсън и Сет Недермайер през 1936 г.).
А преди края на 60-те години известният американски физик Луис Алварес използва мюонна томография, за да търси скрити камери в пирамидите. „Ако погледнете оригиналната статия на Алварес и неговите измервания на пирамидата, той е направил абсолютно всичко правилно“, казва Кайзер. „Беше много умно направено. Той не намери никакви кухини, но просто имаше нещастие да търси в грешната пирамида.
Алварес гледаше вътре в пирамидата на Хефрен. Ако беше поставил своя детектор в съседство, в пирамидата на Хуфу, той можеше да победи проекта ScanPyramids с почти 50 години.
Всичко това донякъде обяснява защо мюонните детектори се появяват на все по-голям брой археологически обекти. С подобряването на процесите на изобразяване, предлагащи снимки с по-висока разделителна способност и разработването на по-евтини, по-преносими детектори, мюонната томография разширява обхвата ни за изследване, като ни предоставя прозорец – прозорец, който ни дава поглед към места, които не можем да отидем.
А такива места не липсват. Планината Ечия в Италия например е 60-метров скалист нос, който се простира в Неаполския залив. Днес това е застроена част от града, но преди почти 3000 години, през 8-ми век пр.н.е., това е било мястото на Партеноп, древногръцката колония, която по-късно ще стане Неапол.
Носът до голяма степен се състои от туф, мека, жълта скала, направена от вулканична пепел, която често се използва в древни конструкции. Като такава съществува сложна система от тунели и пещери под планината Ехия, където поколения хора са изкопавали туфа, за да го използват като строителен материал.
Проучванията на тунелите и пещерите са в ход от години, но през 2017 г. екип от физици от Неапол и Флоренция осъзнаха, че характеристиките на планината Ехия биха я направили идеалното място за тестване на мюонния детектор, който разработват – отчасти защото толкова много от кухините вече са известни (така че екипът ще има с какво да провери резултатите си), но и защото кухините не са заровени само в земята.
„Планината Ехия не е изолиран хълм; той е изцяло покрит от сгради“, казва проф. Джулио Сарачино от Университета на Неапол Федерико II и Националния институт по ядрена физика на Италия (INFN). „Така че не беше лесен тест. Но това беше много интересно, защото в началото не беше ясно дали всички сгради ще пречат на измерванията.
Въпреки това тестът беше успешен: екипът не само успя да идентифицира селекция от известните кухини, но също така откри признаци на нова, скрита преди това. „Ние открихме новата кухина, реконструирахме я в три измерения и успяхме да дадем на спелеолозите [пещерни експерти] усещане за нейната позиция под земята, защото в момента няма начин да я достигнем“, казва Сарачино.
От планината Ехия екипът се премести към друг пещерен археологически обект в Кума, град близо до Неапол, за който се смята, че е мястото на първата гръцка колония в континентална Италия. Работата там беше прекъсната от пандемията от COVID-19, което е само едно от препятствията пред изследванията с мюонна томография – защото не само са необходими правилните географски и топологични характеристики, но и политическата ситуация трябва да бъде податлива, както проф. Нурал Акчурин от Тексаският технически университет обяснява.
„Опитвахме се да вкараме първия си прототип [мюонен детектор] в Турция, за да заснемем археологически обект в Лимира. Но политиката в Турция беше объркана; имаше опит за преврат [през 2016 г.] и много неща спряха с крясък за година или две… Така че казахме: „Добре, нека просто да работим върху втори прототип“, защото трябва да подобрим нещата.
„Но ние не сме се отказали да разположим нашите инструменти някъде в Турция и има няколко кандидат-сайта. В момента тестваме нещата в лабораторията. Но в кратък срок бихме могли да разположим нашите детектори – може би това лятото, ако COVID позволява.“
COVID също засегна проекта ScanPyramids. Преди работата да бъде спряна през 2020 г., продължаващата мюонна томография в пирамидата на Хуфу разкри повече от по-малката кухина, открита през 2016 г. (което предполага, че това е коридор, простиращ се на поне пет метра навътре в пирамидата, вероятно под ъгъл нагоре) и прецизира приблизителните размери на голямата празнина, открита през 2017 г. (сега се смята, че е дълга поне 40 метра).
Ако глобалното внедряване на ваксини срещу COVID върви по план, е възможно скоро да се възобнови работата по проекта ScanPyramids и останалите. И когато това стане, повече от тайните, скрити в някои от най-старите природни и създадени от човека структури в света, може да започнат да се разкриват.
