الكشف عن الأسرار الخفية للحفريات والتحف باستخدام التصوير النيوتروني

 مجلة رونق - تمساح محطم. رسميا، كونفركتوسوكس. تم اكتشافه في أستراليا عندما قامت جرافة بإزالة صخرة بتكسير حجر إلى قطع. وأظهرت الأجزاء المكشوفة من الصخور المكسورة وجود حفريات بالداخل، ولكن لم يكن هناك مؤشر فوري على أن هذا الاكتشاف سيكشف لاحقًا عن لقطة غير مسبوقة للحياة من العصر الطباشيري.

رتب عالم الحفريات مات وايت من جامعة نيو إنجلاند في أرميدال بأستراليا وزملاؤه لفحص الصخور المحملة بالحفريات باستخدام التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية. مثل التصوير المقطعي الطبي، تأخذ هذه الطريقة صورًا متعددة لجسم ما يمكن تجميعها في خريطة ثلاثية الأبعاد للداخل. ويأمل الفريق في استخدام عمليات المسح كدليل لعزل العظام الفردية في الحفرية دون إزالتها، ثم معالجة الصور ثلاثية الأبعاد لإعادة التمساح المحطم معًا مرة أخرى.

لكن أحد أجزاء اللغز الأحفوري سبب لهم المتاعب. جعلت الحجارة الغنية بالحديد المحيطة بالعظام من الصعب الحصول على صور أشعة سينية جيدة. لذلك قرر الباحثون تجربة نهج آخر.

وأرسلوا القطعة الغامضة إلى الكيميائي جوزيف بيفيت من المركز الأسترالي لتشتت النيوترونات في سيدني، والمتخصص في استخدام جزيئات النيوترونات دون الذرية لتصوير الأجسام القديمة. جنبا إلى جنب مع عظام التمساح المتوقعة، اكتشف بيفيت واحدة تشبه عظم ساق الديناصور. لقد كان في جزء من الصخر حيث كان يوجد تجويف معدة التمساح.

يقول بيفيت: "عندما رأيت نتيجة النيوترون وعظم فخذ الديناصور الصغير، كنت أرتجف من الصدمة، من الرهبة والشك مما رأيناه".

أكدت سنوات من التحليل بالإضافة إلى المزيد من الأشعة السينية والمسح النيوتروني في النهاية أن بقايا نوع غير معروف من الديناصورات، والتي تم عضها إلى قطع وعلامات الأسنان، كانت في بطن التمساح. أكسب هذا الاكتشاف التمساح المحطم النصف الثاني من اسمه: sauroktonos، أي قاتل السحلية. نشر وايت وبيفيت وزملاؤه اكتشافهم لكل من أنواع التمساح التي تم تحديدها حديثًا والديناصورات التي لم يسبق لها مثيل في العام الماضي في Gondwana Research

إنه اكتشاف مذهل: كونفركتوسوكس ساوروكتونوس، قاتل سحلية التمساح المحطمة، وبقايا وجبته الأخيرة، ضحيته الديناصورية، المجمدة في الحجر منذ 100 مليون سنة. إنها مقالة صغيرة ربما لم تظهر أبدًا لولا التصوير المقطعي النيوتروني. على الرغم من أن النيوترونات قد تم استخدامها للتصوير في التطبيقات الصناعية والعسكرية منذ وقت قصير بعد اكتشاف النيوترون في عام 1932، إلا أنه في العقود القليلة الماضية فقط بدأت هذه الجسيمات دون الذرية في تزويد العلماء بآراء غير مسبوقة داخل الحفريات والآثار.

انظر، لا تلمس

كان هناك وقت كانت فيه دراسة الحفريات والتحف تعني في كثير من الأحيان إتلافها أو تدميرها. تم تشريح بقايا المومياء. تم فتح الحاويات المغلقة. تم انتزاع الحفريات من الصخور. في بعض الحالات، تم طحن العينات التي تحتوي على الحفريات، طبقة بعد طبقة، لإنشاء صور لأجزاء متسلسلة في شرائح تكشف عن الهياكل المتحجرة بداخلها.

ولحسن الحظ، توفر الأشعة السينية رؤى غير مدمرة. باعتبارها شكلًا عالي الطاقة من الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو الضوء، تتفاعل الأشعة السينية مع المجالات الكهربائية والمغناطيسية المرتبطة بالجسيمات المشحونة كهربائيًا. في عيادة الطبيب، عندما يقوم فني بتسليط شعاع من الأشعة السينية على ساق مكسورة، فإن الضوء يتبدد أو يمتص بواسطة مجالات الإلكترونات حول الذرات في الساق. كلما كانت المادة أكثر كثافة، زاد عدد الإلكترونات الموجودة فيها، وقلّت فعالية الأشعة السينية التي يمكن أن تمر عبرها. ولهذا السبب تبرز الأجزاء ذات الكثافة العالية من الجسم - مثل العظام - في صور الأشعة السينية أكثر من الأجزاء ذات الكثافة المنخفضة. الجلد والعضلات والأنسجة الرخوة الأخرى غير مرئية بشكل أساسي لأن الأشعة السينية تمر عبرها مباشرة.

قدمت الأشعة السينية مناظر للأجزاء الداخلية المخفية من القطع الأثرية منذ اكتشاف الإشعاع في عام 1895. ولكن بعد تطوير الأشعة السينية المقطعية المكثفة حسابيًا في السبعينيات، أصبحت الطريقة القياسية لدراسة الأشياء في علم الحفريات وعلم الآثار (SN: 12) /18/21 و 1/1/22 ص44). أصبح المسح المقطعي بالأشعة السينية الآن هو البديل الحديث للطحن الذي اعتمد عليه العلماء في القرن التاسع عشر. تشمل الأمثلة الحديثة عمليات مسح الحيوانات المحنطة من مصر القديمة (SN: 9/12/20، ص 17)؛ النقوش المكتشفة حديثًا على آلية أنتيكيثيرا التي يبلغ عمرها 2000 عام، وهي آلة حاسبة فلكية يونانية قديمة تستخدم للتنبؤ بالكسوف والأحداث السماوية الأخرى (SN: 12/2/06، ص 357)؛ ودراسة تجويف الدماغ في جمجمة قرد عمرها 20 مليون سنة (SN: 14/9/19، ص 11). تمتلك العديد من المتاحف والمؤسسات البحثية الكبيرة ماسحات ضوئية للأشعة السينية المقطعية في متناول اليد، وهي في الأساس نفس الأنظمة التي يستخدمها الأطباء.

على الرغم من كل ما كشفه التصوير بالأشعة السينية عن الماضي، إلا أنه لا يزال لديه بعض العيوب. لا تستطيع الأشعة السينية اختراق مادة كثيفة بشكل خاص، مثل الرصاص أو الطبقات السميكة من المعادن الأخرى، لرؤية جسم مختبئ بداخلها. على الجانب الآخر، فإن الجسم المصنوع من مادة منخفضة الكثافة، مثل الأنسجة الرخوة، سيكون غير مرئي للأشعة السينية.

الفرق هو في التشتت

النيوترونات، كما يوحي اسمها، هي محايدة. هذه الجسيمات دون الذرية ليس لها شحنة كهربائية، لذلك لا تلاحظ حزم النيوترونات الإلكترونات الموجودة في المدار حول الذرات. وبدلًا من ذلك، تمر النيوترونات عبر الإلكترونات وتصطدم بالنوى الممتلئة بالبروتونات والنيوترونات في مراكز الذرات. يمكن للنيوترونات الواردة أن ترتد عن نواة الذرة أو يتم امتصاصها في الذرة. التفاعلات أكثر تعقيدًا من التفاعلات مع الأشعة السينية وتعتمد على مدى سرعة حركة النيوترونات وعلى تفاعلات ميكانيكا الكم المعقدة.

يتم إنتاج النيوترونات المناسبة للتصوير المقطعي باستخدام مسرعات جسيمات ضخمة نسبيًا أو كمنتجات ثانوية من المفاعلات النووية. تتحرك النيوترونات ببطء نسبي، وطاقتها تعادل مائة مليون من طاقة الأشعة السينية في الماسحات الضوئية المقطعية. تتفاعل هذه النيوترونات البطيئة بقوة مع بعض المواد منخفضة الكثافة التي تمر عبرها الأشعة السينية بكل سرور، بما في ذلك الليثيوم والبورون والهيدروجين.

يقول بيفيت: "يشبه الماء بالنسبة للنيوترونات الرصاص في الأشعة السينية"، وذلك بسبب ذرات الهيدروجين. الكثير من المواد الغنية بالهيدروجين يمكن أن تخفي التفاصيل من أشعة النيوترونات. ولكن بنفس الطريقة التي يظهر بها مفصل الورك المعدني في الأشعة السينية الطبية، يمكن للهيدروجين أيضًا أن يجعل بعض الميزات مرئية في الصور النيوترونية. ومن ناحية أخرى، فإن الرصاص والحديد والنحاس تكون شفافة بشكل أساسي بالنسبة للنيوترونات منخفضة الطاقة.

يحب الفيزيائي جاكوب لامانا، من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في جايثرسبرج بولاية ميريلاند، إظهار القدرات المقارنة للتصوير بالنيوترونات والأشعة السينية من خلال "الحياة الساكنة" المقطعية للزنابق الآسيوية الموضوعة داخل برميل مجوف بجدران رصاصية سميكة. يقول لامانا: "يمكن للنيوترونات المرور مباشرة عبر الرصاص، ومن ثم يمكنك رؤية كل الماء [في] البنية الوعائية للزهور". لن يُظهر الفحص بالأشعة السينية سوى السطح الخارجي غير الشفاف للبرميل الخشبي.

إن القدرة على الانزلاق عبر المواد الكثيفة التي تحجب الأشعة السينية جعلت التصوير النيوتروني تقنية مهمة للاختبارات الصناعية للسيارات والطائرات. يمكن للجسيمات أن تكشف عن تدفق الزيت الغني بالهيدروجين داخل كتل المحرك أو تكشف العيوب في المسبوكات المعدنية. منذ سبعينيات القرن الماضي، اعتمدت المختبرات الوطنية الأمريكية على التصوير النيوتروني لتطوير مخزونات الأسلحة النووية في البلاد والحفاظ عليها؛ تعتبر النيوترونات أدوات قوية لمراقبة الجودة لرسم الأجزاء الداخلية لأجزاء القنبلة الكثيفة ولدراسة المتفجرات الاندماجية الغنية بالهيدروجين داخل مكونات الرأس الحربي.

في NIST، يقود LaManna منشأة التصوير المقطعي النيوتروني والأشعة السينية، أو NeXT، والتي يمكنها تشغيل الأشعة السينية والتصوير النيوتروني في وقت واحد. توفر وجهات النظر المزدوجة معلومات مميزة ومتكاملة عن الأشياء التي تحتوي على مجموعات من المواد - مثل خلايا وقود الهيدروجين، ومواد البناء، وعينات التربة - والتي قد يكون من الصعب دراستها باستخدام أحد أساليب التصوير فقط.

على مدار العقدين الماضيين، ومع انتشار الأخبار حول القدرات، أضاف عدد متزايد من علماء الحفريات وعلماء الآثار وعلماء الأنثروبولوجيا التصوير النيوتروني إلى أدواتهم التحليلية. على الرغم من وجود التصوير النيوتروني لفترة من الوقت، يقول بيفيت: "نحن حقًا الأطفال الجدد في الكتلة".

بالإضافة إلى الكشف عن عظام ديناصورات متعددة في بطن تمساح محطم، إلى جانب عظم الفخذ الذي لفت انتباه بيفيت في البداية، سمح التصوير المقطعي بالنيوترون للباحثين بدراسة قماط مومياوات القطط دون فكها، والعثور على علامات على وجود مواد لاصقة تم تطبيقها مؤخرًا متماسكة معًا. تجميع القطع الأثرية بطريقة احتيالية، والكشف عن أقدم قلب فقاري تم العثور عليه على الإطلاق، في سمكة عمرها 380 مليون عام.

المكافآت والمخاطر

يضع عالم الحفريات جيمس كلارك زوجًا من جماجم التمساح المتحجرة على الطاولة في مختبره الموجود في الطابق السفلي بجامعة جورج واشنطن في واشنطن العاصمة. تتضاءل الحفريات التي يبلغ عمرها 165 مليون عام أمام جمجمة تمساح حديثة قريبة. في حين أن جمجمة التمساح يبلغ طولها تقريبًا طول ساعدي، فإن جماجم التمساح المتحجرة أكبر قليلًا من طرف إبهامي.

الجماجم الهشة، التي جمعها كلارك في المكسيك قبل أربعة عقود، مغروسة في نقاط صلبة من الرواسب مع عدد قليل من العظام والأسنان التي تطل من خلالها. للوهلة الأولى، تبدو العينات وكأنها قطع من العلكة الممضوغة، ولكنها مصنوعة من الحجر الطيني الغني بالحديد. يقول كلارك: "إذا حاولت تصوير ذلك بالأشعة السينية، فسوف ينتهي بك الأمر إلى الحصول على هذه البريق اللامع الناتج عن كل الحديد". والنتيجة هي عدم وضوح وخطوط تخفي الهياكل العظمية.

كان من الممكن أن يستأجر كلارك مُعدين لتنظيف الرواسب المحيطة بالعظام الرقيقة. لكنها عملية بطيئة ومكلفة يمكن أن تؤدي في النهاية إلى إتلاف العينة، كما يقول.

لم يتمكن أخيرًا من إلقاء نظرة فاحصة على العظام المخفية حتى عام 2019. بعد ندوة التقى فيها بفيت، أدرك كلارك أن المسح النيوتروني يمكن أن يكون الحل. أدى هذا الحدث إلى مقدمة عن LaManna ومنشأة NIST الواقعة على بعد 25 كيلومترًا من الطريق في ولاية ماريلاند.

يقول لامانا: «نظرًا لأن الحديد شفاف بشكل أساسي بالنسبة للنيوترونات، فمن الأسهل بكثير عزل الجزء الأحفوري من الجسم فقط». كشفت الصور المأخوذة من الأشعة المقطعية النيوترونية الصادرة عن NIST عن التفاصيل المعقدة للعظام الصغيرة. "يمكنك بعد ذلك البدء في لعب ألغاز الصور المقطوعة الرقمية باستخدام شظايا العظام لمحاولة إعادة بناء مخلوق معين."

في حين أن المواد المحيطة بالحفرية أو الجسم قد تمثل مشكلة للأشعة السينية، إلا أنه في بعض الأحيان يكون الجسم نفسه هو المشكلة. قد يكون من الصعب تحليل الأنسجة والألياف والخشب وغيرها من المواد منخفضة الكثافة باستخدام الأشعة السينية، ويمكن للمعادن الموجودة داخل الجسم أن تحجب ميزات أخرى عن الرؤية. كلا التحديين يصيبان الباحثين الذين يدرسون الآثار مثل فؤوس الخناجر التي يبلغ عمرها 3000 عام والتي رأيتها معروضة في معرض فرير للفنون التابع لمؤسسة سميثسونيان في واشنطن العاصمة.

هذه الأسلحة الاحتفالية من أسرة شانغ الصينية معلقة في علبة زجاجية عمودية، حيث يمكنني أن أضع أنفي على بعد بضعة سنتيمترات فقط من شفرات اليشم والمقابض البرونزية المطلية باللون الفيروزي. لقد وجدت أنه من الأفضل أن أتكئ على مقربة حتى أتمكن من تقدير الأنماط المعقدة للأحجار الكريمة ذات اللون الأزرق والأخضر الغارقة في المعدن.

يود أرييل أوكونور، محافظ الفنون بمؤسسة سميثسونيان، أن يعرف كيف تم تجميع محاور الخناجر معًا. لا تعمل الأشعة السينية المقطعية على مزيج من الحجر والمعادن والألياف والمواد الأخرى التي قد تكون موجودة بداخلها. يمكن أن يساعد التصوير النيوتروني، لكنه ينطوي على مخاطر. أشعة النيوترون تجعل الأشياء مشعة. ليس من الواضح دائمًا مسبقًا كيف ستصبح العينة مشعة، ولكن غالبًا ما تتجاوز المواد مستوى النشاط الإشعاعي الذي يمكن للبشر التعامل معه، أو حتى مشاهدته في المتحف، لعدة أيام إلى أسابيع بعد التعرض لحزم النيوترونات.

يقول لامانا: "يمكننا في الواقع إجراء حسابات وتحديد العنصر الإشكالي ومدة بقاءه مشعًا وكميته". "[لكن] في حالة اليشم، حيث إنه مادة تم استخراجها بالكامل من الأرض، يمكن أن يحتوي على جميع أنواع الأشياء التي قد لا تتوقعها بالضرورة." وهذا يجعل من الصعب التنبؤ بالنشاط الإشعاعي المتبقي.

لذلك، قرر أوكونور إجراء اختبار. لقد صنعت هي وزملاؤها نسخة طبق الأصل من فأس خنجر قديمة. لقد استخدموا اليشم من وايومنغ بدلاً من اليشم الصيني القديم، وأكوام من النحاس من لوحة باب مُعاد استخدامها لمحاكاة المقبض البرونزي، وبعض الخيوط الحريرية المشابهة للنوع الذي يجمع بعض محاور الخناجر من سلالة شانغ معًا. ثم قام لامانا بمسح الخنجر بالأشعة السينية والنيوترونات في NIST.

وكما هو متوقع، كان النحاس معتمًا تمامًا للأشعة السينية، مما أدى إلى إخفاء ميزات بناء النسخة المتماثلة. لكن شعاع النيوترون كشف عن تفاصيل أساسية، بما في ذلك منظر حجر اليشم الموجود داخل المقبض النحاسي وحتى خيوط الحرير الفردية.

أما بالنسبة للنشاط الإشعاعي المتبقي، فلم تظهر النسخة المتماثلة أي أهمية بعد تسعة أيام. بشكل عام، يقول بيفيت، إن الإشعاع المتبقي يموت بسرعة. ظلت إحدى الحفريات التي درسها مشعة لمدة ثلاثة أشهر، بسبب وجود الراديوم، ولكن يمكن إرسال معظم العينات بأمان إلى المعامل والمتاحف في غضون أسابيع قليلة أو أقل.

ومع ذلك، مع عدم اليقين والتساؤلات حول مدى التشابه الكيميائي للنسخة المتماثلة مع فؤوس الخناجر الحقيقية، فإن أوكونور ليس مستعدًا بعد للمخاطرة بمسح القطع الأثرية.

"بصفتي أحد القائمين على الترميم، فأنا مؤتمن على الحفاظ على هذه الأشياء الرائعة التي يبلغ عمرها 3000 عام وسلامتها لضمان بقائها للأجيال القادمة. يقول أوكونور: "إذا كانت تقنية تحليلية مثل التصوير النيوتروني قد تجيب على أسئلة بحثنا ولكنها ستغير الأشياء وتمنع الوصول إليها" بسبب النشاط الإشعاعي المستحث، "فسوف نبحث عن خيارات أخرى".

فتح نافذة جديدة على الماضي

على الرغم من تزايد شعبية التصوير المقطعي النيوتروني لدراسة الحفريات والآثار، إلا أن الأشعة السينية المقطعية تظل خيار التصوير المفضل لمعظم الباحثين. في تسعينيات القرن العشرين، نُشرت سنويًا بضع عشرات من الأبحاث العلمية حول استخدام النيوترونات لدراسة الماضي؛ في الآونة الأخيرة، أصبح العدد بالمئات سنويًا. المنشورات المتعلقة بتصوير الحفريات والتحف بالأشعة السينية المقطعية، رغم أن عددها في معظم الأحيان، فإن الأشعة السينية تكفي، ومزاياها واضحة. إنها توفر دقة عالية للكشف عن التفاصيل الصغيرة دون أي نشاط إشعاعي عالق. تتوفر أيضًا أجهزة التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية على نطاق واسع نظرًا لاستخدامها في البيئات الطبية لأكثر من 50 عامًا، وهي صغيرة بما يكفي لتناسب معظم المختبرات ومساحات البحث في المتاحف.

في الوقت الحالي، لا يوجد سوى بضع عشرات من مرافق التصوير المقطعي النيوتروني على هذا الكوكب. إن مسرعات الجسيمات والمفاعلات النووية التي تنتج النيوترونات المناسبة كبيرة ومكلفة وتخضع لرقابة شديدة. لا يتوفر سوى عدد قليل من المرافق في جميع أنحاء العالم لتحليل الحفريات والآثار، وفقًا لبوركارد شيلينجر، عالم الفيزياء في الجامعة التقنية في ميونيخ، الذي يدير خط شعاع التصوير النيوتروني هناك. وأشار إلى عدد قليل من المنشآت في الولايات المتحدة، وستة في أوروبا وواحدة في أستراليا.

ومع ذلك، يقول لامانا إن عدم إمكانية الوصول لا يبدو أنه يمثل عنق الزجاجة في اعتماد هذه التقنية على نطاق واسع. وإلى جانب المخاوف بشأن استمرار النشاط الإشعاعي، فإن حداثة التكنولوجيا ونقص الوعي العام قد يقفان في الطريق.

يقول لامانا: "أحاول تجنيد أكبر عدد ممكن من المستخدمين" لتقديم الحفريات والآثار للتصوير في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. "ليس الأمر كما لو أنهم تم إبعادهم عن الطريق" لإفساح المجال لمزيد من دراسات النيوترونات التقليدية. "إن الأمر يتعلق فقط بجذب الأشخاص المناسبين إلى الاهتمام بكتابة المقترحات، والمجيء إلينا [و] العمل معنا للحصول على وقت للبث."

في العقد الماضي، قامت شركة بيفيت، ومقرها أستراليا، بنشر أخبار التصوير المقطعي النيوتروني من خلال المحاضرات والتوعية حول العالم. يرجع معظم الخبراء الذين تم الاتصال بهم بخصوص هذه القصة اهتمامهم الأولي بالتصوير النيوتروني إلى تأثير بيفيت. لقد تبنى العديد من الباحثين في وطنه هذه التكنولوجيا بالفعل.

يقول بيفيت: "في الأساس، في أستراليا، عندما يتم اكتشاف ديناصور جديد، فإن أول شيء يحدث هو وصوله إلى مختبرنا".