Πώς οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την κοσμική ακτινοβολία για να κρυφοκοιτάξουν μέσα στις πυραμίδες

Μέχρι τις 13 Οκτωβρίου 2016, ο Mehdi Tayoubi γνώριζε ήδη ότι το έργο του ScanPyramids ήταν στο σωστό δρόμο. Αυτή ήταν η ημέρα που ο Tayoubi και η ομάδα του συναντήθηκαν με μια επιτροπή Αιγυπτιολόγους για να τους πουν για τη μικρή, άγνωστη μέχρι τότε κοιλότητα που είχαν βρει στη βόρεια όψη της Πυραμίδας του Khufu, γνωστής και ως Μεγάλη Πυραμίδα της Γκίζας. Το έργο ScanPyramids είχε ξεκινήσει μόλις 12 μήνες νωρίτερα, αλλά απέδιδε ήδη πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα.

Στη συνέχεια, αργότερα, το 2017, χτύπησε χρυσό:ένα τεράστιο κενό εντοπίστηκε βαθιά μέσα στην πυραμίδα 4.500 ετών. Αν και ο ακριβής προσανατολισμός του κενού ήταν άγνωστος, η ομάδα του Tayoubi μπόρεσε να επιβεβαιώσει ότι είχε μήκος περίπου 30 μέτρα και βρισκόταν πάνω από τη Μεγάλη Πινακοθήκη - τον διάδρομο που συνδέει τον θάλαμο της Βασίλισσας με τον θάλαμο που περιείχε τη σαρκοφάγο του Φαραώ Khufu. Ήταν η πρώτη σημαντική νέα δομή που ανακαλύφθηκε στην πυραμίδα από τον 19ο αιώνα.

«Δεν ξέρουμε αν αυτό το μεγάλο κενό είναι οριζόντιο ή κεκλιμένο. Δεν γνωρίζουμε αν αυτό το κενό δημιουργείται από μια δομή ή από πολλές διαδοχικές δομές. Αυτό για το οποίο είμαστε σίγουροι είναι ότι αυτό το μεγάλο κενό είναι εκεί, ότι είναι εντυπωσιακό και ότι δεν ήταν αναμενόμενο –από όσο ξέρω– από καμία θεωρία», είπε ο Tayoubi όταν κυκλοφόρησε η είδηση ​​τον Νοέμβριο του 2017.

Αλλά ίσως πιο εντυπωσιακό από τις δύο ανακαλύψεις ήταν το γεγονός ότι είχαν γίνει ενώ η πυραμίδα παρέμενε τέλεια άθικτη. Δεν είχε γίνει νέα ανασκαφή ή αποσυναρμολόγηση της κατασκευής. Κανένας τοίχος θαλάμου δεν διατρήθηκε και δεν άνοιξαν σφραγισμένοι διάδρομοι.

Η ομάδα ScanPyramids είχε κοιτάξει βαθιά μέσα στους ασβεστολιθικούς ογκόλιθους που είχαν στοιβαχτεί για να σχηματίσουν τους τοίχους του τάφου ύψους 140 μέτρων και εντόπισε κοιλότητες μέσα τους που κανείς δεν γνώριζε ότι υπήρχαν. Και αυτό που κατέστησε δυνατό αυτό το εκπληκτικό επίτευγμα ήταν μια τεχνική γνωστή ως τομογραφία μιονίων, η οποία επιτρέπει στους επιστήμονες να εξερευνήσουν τοποθεσίες που προηγουμένως ήταν απρόσιτες.

Η τομογραφία μιονίων μοιάζει λίγο με την εξερεύνηση του διαστήματος αντίστροφα. Αντί να χρησιμοποιεί όργανα που κατασκευάζονται στη Γη για τη διερεύνηση του διαστήματος, βασίζεται στις κοσμικές ακτίνες που παράγονται στο διάστημα για να εμβαθύνει στα πράγματα στη Γη.

Οι κοσμικές ακτίνες είναι σωματίδια υψηλής ενέργειας που περνούν στο διάστημα με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Παράγονται από τον Ήλιο, γεγονότα υπερκαινοφανών εκτός του Ηλιακού Συστήματος και ακόμη και από τη Μεγάλη Έκρηξη. Ταξιδεύουν προς κάθε κατεύθυνση όλη την ώρα και είναι τόσοι πολλοί που συγκρούονται συνεχώς με τα μόρια οξυγόνου και αζώτου στην ατμόσφαιρα της Γης. Σε αυτό το σημείο, ξεκίνησαν έναν καταρράκτη από άλλα σωματίδια, σαν μια λευκή μπάλα που σπάει τα κόκκινα σε ένα παιχνίδι σνούκερ.

«[Όταν] ένα κοσμικό σωματίδιο υψηλής ενέργειας χτυπά την ανώτερη ατμόσφαιρα, παράγει μια μεγάλη βροχή σωματιδίων», εξηγεί ο καθηγητής Ραλφ Κάιζερ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης. «Τα περισσότερα από αυτά τα σωματίδια σταματούν στην ατμόσφαιρα. Αλλά μερικοί από αυτούς τα καταφέρνουν μέχρι το έδαφος. Και αυτά είναι συνήθως μιόνια.»

Ένα μιόνιο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο αλλά 200 φορές βαρύτερο. Το να είναι τόσο βαρύ και να ταξιδεύουν τόσο γρήγορα τους δίνει μεγαλύτερη ικανότητα να διεισδύουν σε πυκνό υλικό από άλλα είδη ακτινοβολίας, όπως ακτίνες Χ ή ακτίνες γάμμα. Αλλά σε αντίθεση με τις ακτίνες Χ και τις ακτίνες γάμμα, τα μιόνια των κοσμικών ακτίνων δεν καταστρέφουν το υλικό από το οποίο διέρχονται.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με το μέλλον της εξερεύνησης:

• Διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ:Εντός των δοκιμών υψηλού κινδύνου του διαδόχου του Hubble, αξίας 7,2 δισεκατομμυρίων λιρών
• Βουνά βαθέων υδάτων:τα ανεξερεύνητα οικοσυστήματα της Γης που βρίθουν από ζωή

«[Muons μπορούν] να διασχίσουν δεκάδες μέτρα σκυροδέματος. Θα περάσουν επίσης από το σώμα σας χωρίς να κάνουν τίποτα», λέει ο Κάιζερ. «Είναι πανταχού παρόντα, διεισδυτικά και χωρίς κόστος. Είναι παντού και αποτελούν μέρος του φυσικού περιβάλλοντος."

Εν ολίγοις, τα μιόνια είναι το μόνο πράγμα για να ρίξετε μια ματιά μέσα σε δομές στις οποίες δεν μπορείτε να μπείτε, δομές όπως σφραγισμένοι θάλαμοι σε πυραμίδες, κλειστά σπήλαια σε αρχαιολογικούς χώρους και αγωγούς μέσα σε ηφαίστεια. Το κόλπο για να το κάνετε αυτό, ωστόσο, είναι να πιάσετε τα μιόνια που έχουν περάσει μέσα από τη δομή και να τα χρησιμοποιήσετε για να δημιουργήσετε μια εικόνα του τι υπάρχει μέσα.

Ο Δρ Giovanni Macedonio, ο κύριος ερευνητής του έργου MUon Radiography of VESuvius (MURAVES), παρομοιάζει τη διαδικασία με τη λήψη ακτινογραφίας. Όταν υπάρχει ένα αντικείμενο, ας πούμε το χέρι σας, ανάμεσα στην πηγή των ακτίνων Χ και την κάμερα, το χέρι σας απορροφά μερικές από τις ακτίνες Χ που περνούν από αυτό. Οι διαφορετικές πυκνότητες του δέρματος, των μυών, των αιμοφόρων αγγείων και των οστών καθορίζουν πόσες από τις ακτίνες Χ φτάνουν στην κάμερα – όσο πιο πυκνά είναι αυτά, τόσο περισσότερες ακτίνες Χ απορροφούν.

«[Ουσιαστικά] βλέπουμε τις σκιές των διαφορετικών μερών», λέει η Macedonio. Όσο πιο ανοιχτόχρωμες είναι οι σκιές, τόσο πιο πυκνό είναι το εξάρτημα και, οπλισμένοι με αυτή τη γνώση, είναι δυνατό να γίνει διάκριση μεταξύ των τμημάτων στο εσωτερικό. Η ίδια αρχή ισχύει για την τομογραφία μιονίων και τα αντικείμενα, όπως ο Βεζούβιος, που χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση.

«Αντί για ακτίνες Χ, έχουμε μιόνια», λέει ο Macedonio. «Μουόνια έρχονται από όλες τις κατευθύνσεις γύρω από τη Γη, αλλά μας ενδιαφέρουν αυτά που ταξιδεύουν κοντά οριζόντια, ώστε να μπορούν να διεισδύσουν στο ηφαίστειο. Τα μιόνια που περνούν μέχρι τον Βεζούβιο παράγουν μια σκιά πίσω του». Τοποθετώντας ανιχνευτές μιονίων κοντά, ο Macedonio και οι συνεργάτες του μπορούν να δημιουργήσουν μια εικόνα αυτής της σκιάς, να μελετήσουν τις πυκνότητες των υλικών που απεικονίζονται σε αυτήν και να αρχίσουν να διακρίνουν τις δομές μέσα στον Βεζούβιο.

Αλλά η μελέτη κάτι τόσο μεγάλου όσο ένα ηφαίστειο απαιτεί υπομονή, γιατί τα μιόνια είναι μικροσκοπικά και μόνο περίπου 100 από αυτά χτυπούν οποιοδήποτε τετραγωνικό μέτρο ανά δευτερόλεπτο. Έτσι, παρόλο που μπορεί να βομβαρδίζουν συνεχώς τη Γη, η συλλογή αρκετών από αυτά για να παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για κάτι στο μέγεθος του Βεζούβιου χρειάζεται λίγο χρόνο.

«Η ροή των μιονίων δεν είναι ισχυρή», λέει ο Macedonio. "Τα περισσότερα από αυτά απορροφώνται από το ηφαίστειο, επομένως χρειαζόμαστε πολύ χρόνο - χρειαζόμαστε μήνες."

Λοιπόν, όταν τελικά λάβετε μια φωτογραφία, τι μπορείτε να κάνετε με αυτήν; Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να προβλέψετε εκρήξεις; Όχι, όχι ακριβώς. Αλλά αυτό που μπορείτε να κάνετε είναι να κατανοήσετε τη σχέση μεταξύ της γεωμετρίας των ηφαιστειακών αγωγών και του στυλ των εκρήξεων.

Ειδικότερα, ποιες συνθήκες μπορεί να προκαλέσουν σύννεφα τέφρας (που μπορούν να γειώσουν αεροπλάνα και να καταρρεύσουν στέγες) ή πυροκλαστικές ροές (ταχέως κινούμενα, υπέρθερμα μείγματα θραυσμάτων βράχου και αερίων ικανά να κάψουν οτιδήποτε στο πέρασμά τους) εάν ο Βεζούβιος επρόκειτο να εκραγεί. Και αν συνδυάσετε αυτές τις πληροφορίες με σεισμικά και μετεωρολογικά δεδομένα, μπορείτε να ειδοποιήσετε ή να εκκενώσετε οποιονδήποτε μπορεί να είναι σε κίνδυνο όταν αναμένεται έκρηξη.

Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία απεικόνισης επιτρέπουν στην τομογραφία μιονίων να βρει ένα αυξανόμενο φάσμα εφαρμογών, αλλά η τεχνική δεν είναι νέα. Ο μηχανικός EP George το χρησιμοποίησε για να ελέγξει την ποσότητα υλικού πάνω από ένα ορυχείο στην Αυστραλία το 1955, λιγότερο από 20 χρόνια μετά την ανακάλυψη του μιονίου (από τους Carl Anderson και Seth Neddermeyer το 1936).

Και πριν από το τέλος της δεκαετίας του 1960, ο διάσημος Αμερικανός φυσικός Luis Alvarez χρησιμοποιούσε τομογραφία μιονίων για να αναζητήσει κρυμμένους θαλάμους σε πυραμίδες. «Αν κοιτάξετε το πρωτότυπο έγγραφο του Alvarez και τις μετρήσεις του για την πυραμίδα, έκανε τα πάντα σωστά», λέει ο Kaiser. «Έγινε πολύ έξυπνα. Δεν βρήκε κοιλότητες, αλλά ήταν ατυχές που έψαχνε σε λάθος πυραμίδα."

Ο Άλβαρες κοίταζε μέσα στην Πυραμίδα του Χαφρέ. Αν είχε τοποθετήσει τον ανιχνευτή του δίπλα, στην Πυραμίδα του Khufu, θα μπορούσε να είχε νικήσει το έργο ScanPyramids για σχεδόν 50 χρόνια.

Όλα αυτά εξηγούν γιατί οι ανιχνευτές μιονίων εμφανίζονται σε έναν αυξανόμενο αριθμό αρχαιολογικών χώρων. Με τη βελτίωση των διαδικασιών απεικόνισης που προσφέρουν εικόνες υψηλότερης ανάλυσης και φθηνότερους, πιο φορητούς ανιχνευτές που αναπτύσσονται, η τομογραφία μιονίου διευρύνει το πεδίο εξερεύνησής μας παρέχοντάς μας ένα παράθυρο – ένα παράθυρο που μας δίνει μια ματιά σε μέρη που δεν μπορούμε να πάμε.

Και δεν λείπουν τέτοια μέρη. Το όρος Echia, στην Ιταλία, για παράδειγμα, είναι ένα βραχώδες ακρωτήριο ύψους 60 μέτρων που εκτείνεται στον κόλπο της Νάπολης. Είναι ένα δομημένο τμήμα της πόλης σήμερα, αλλά σχεδόν πριν από 3.000 χρόνια, τον 8ο αιώνα π.Χ., ήταν η τοποθεσία της Παρθενόπης, της αρχαίας ελληνικής αποικίας που αργότερα θα γινόταν Νάπολη.

Το ακρωτήριο αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από τούφα, έναν μαλακό, κίτρινο βράχο από ηφαιστειακή τέφρα, που χρησιμοποιείται συχνά σε αρχαίες κατασκευές. Ως εκ τούτου, ένα πολύπλοκο σύστημα σηράγγων και σπηλαίων υπάρχει κάτω από το όρος Echia, όπου γενιές ανθρώπων έχουν ανασκάψει την τάφρο για να τη χρησιμοποιήσουν ως δομικό υλικό.

Οι έρευνες των σηράγγων και των σπηλαίων έχουν ξεκινήσει εδώ και χρόνια, αλλά το 2017 μια ομάδα φυσικών από τη Νάπολη και τη Φλωρεντία συνειδητοποίησε ότι τα χαρακτηριστικά του όρους Echia θα το καθιστούσαν την ιδανική τοποθεσία για να δοκιμάσουν τον ανιχνευτή μιονίων που ανέπτυσσαν – εν μέρει επειδή πολλά από τα οι κοιλότητες είναι ήδη γνωστές (έτσι η ομάδα θα έχει κάτι να επαληθεύσει τα αποτελέσματά της), αλλά και επειδή δεν είναι απλώς έδαφος κάτω από τις κοιλότητες.

«Το όρος Εχία δεν είναι ένας απομονωμένος λόφος. καλύπτεται πλήρως από κτίρια», λέει ο καθηγητής Giulio Saracino του Πανεπιστημίου της Νάπολης Federico II και του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας (INFN). «Οπότε δεν ήταν ένα εύκολο τεστ. Αλλά ήταν πολύ ενδιαφέρον γιατί στην αρχή δεν ήταν ξεκάθαρο αν όλα τα κτίρια θα παρέμβουν στις μετρήσεις."

Ωστόσο, το τεστ ήταν επιτυχές:όχι μόνο η ομάδα μπόρεσε να αναγνωρίσει μια επιλογή από τις γνωστές κοιλότητες, αλλά βρήκε επίσης σημάδια μιας νέας, προηγουμένως κρυμμένης. «Ανακαλύψαμε τη νέα κοιλότητα, την ανακατασκευάσαμε σε τρεις διαστάσεις και μπορέσαμε να δώσουμε στους σπηλαιολόγους [ειδικούς σπηλαίων] μια αίσθηση της θέσης της υπόγειας, επειδή δεν υπάρχει τρόπος να την προσεγγίσουμε αυτή τη στιγμή», λέει ο Saracino.

Από το όρος Echia, η ομάδα προχώρησε σε έναν άλλο σπηλαιώδη αρχαιολογικό χώρο στην Cuma, μια πόλη κοντά στη Νάπολη που πιστεύεται ότι ήταν η τοποθεσία της πρώτης ελληνικής αποικίας στην ηπειρωτική Ιταλία. Η εργασία εκεί διακόπηκε λόγω της πανδημίας COVID-19, η οποία είναι μόνο ένα από τα εμπόδια στις έρευνες τομογραφίας μιονίων – επειδή όχι μόνο απαιτούνται τα σωστά γεωγραφικά και τοπολογικά χαρακτηριστικά, αλλά και η πολιτική κατάσταση πρέπει να είναι επιδεκτική, όπως ο καθηγητής Nural Akchurin από Το Texas Tech University εξηγεί.

«Προσπαθούσαμε να φέρουμε το πρώτο μας πρωτότυπο [ανιχνευτής μιονίων] στην Τουρκία για να απεικονίσει έναν αρχαιολογικό χώρο στη Λιμύρα. Αλλά η πολιτική στην Τουρκία ήταν ακατάστατη. έγινε μια απόπειρα πραξικοπήματος [το 2016] και πολλά πράγματα σταμάτησαν για ένα ή δύο χρόνια… Έτσι είπαμε, «Εντάξει, ας δουλέψουμε απλώς σε ένα δεύτερο πρωτότυπο», γιατί πρέπει να βελτιώσουμε τα πράγματα.

"Αλλά δεν έχουμε εγκαταλείψει την ανάπτυξη των οργάνων μας κάπου στην Τουρκία και υπάρχουν μερικές υποψήφιες τοποθεσίες. Αυτή τη στιγμή, δοκιμάζουμε πράγματα στο εργαστήριο. Αλλά, σε σύντομο χρονικό διάστημα, θα μπορούσαμε να αναπτύξουμε τους ανιχνευτές μας - ίσως αυτό καλοκαίρι, αν το επιτρέπει ο COVID.»

Ο COVID έχει επίσης επηρεάσει το έργο ScanPyramids. Πριν από την αναστολή των εργασιών το 2020, η συνεχής τομογραφία μιονίων στην Πυραμίδα του Khufu είχε αποκαλύψει περισσότερη από τη μικρότερη κοιλότητα που ανακαλύφθηκε το 2016 (υποδηλώνοντας ότι πρόκειται για έναν διάδρομο που εκτείνεται τουλάχιστον πέντε μέτρα μέσα στην πυραμίδα, πιθανώς με γωνία προς τα πάνω) και είχε βελτιώσει τις εκτιμώμενες διαστάσεις το μεγάλο κενό που ανακαλύφθηκε το 2017 (τώρα πιστεύεται ότι έχει μήκος τουλάχιστον 40 μέτρα).

Εάν η παγκόσμια κυκλοφορία των εμβολίων κατά του COVID πάει σύμφωνα με το σχέδιο, είναι πιθανό να συνεχιστεί η εργασία στο έργο ScanPyramids και σε άλλα, σύντομα. Και όταν γίνει, περισσότερα από τα μυστικά που κρύβονται μέσα σε μερικές από τις παλαιότερες φυσικές και ανθρωπογενείς δομές του κόσμου θα μπορούσαν να αρχίσουν να αποκαλύπτονται.

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 362 του BBC Science Focus Magazine – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ

Διαβάστε περισσότερα για την Αρχαία Αίγυπτο:

• 5 περίεργες ανακαλύψεις από τη χαμένη χρυσή πόλη της Αιγύπτου
• Πώς αποκρυπτογραφήσαμε τα αρχαία αιγυπτιακά ιερογλυφικά
• Οι αιγυπτιακές πυραμίδες κατασκευάστηκαν από σκλάβους;