Bereits am 13. Oktober 2016 wusste Mehdi Tayoubi, dass sein ScanPyramids-Projekt auf dem richtigen Weg war. An diesem Tag trafen sich Tayoubi und sein Team mit einem Komitee von Ägyptologen, um ihnen von der kleinen, bisher unbekannten Höhle zu erzählen, die sie in der Nordwand der Cheops-Pyramide, auch bekannt als die Große Pyramide von Gizeh, gefunden hatten. Das ScanPyramids-Projekt hatte erst 12 Monate zuvor begonnen, zeigte aber bereits vielversprechende Ergebnisse.
Später, im Jahr 2017, stieß es auf Gold:Tief im Inneren der 4.500 Jahre alten Pyramide wurde eine riesige Leere entdeckt. Obwohl die genaue Ausrichtung des Hohlraums unbekannt war, konnte Tayoubis Team bestätigen, dass er etwa 30 Meter lang war und sich über der Grand Gallery befand – dem Korridor, der die Kammer der Königin mit der Kammer mit dem Sarkophag von Pharao Cheops verband. Es war die erste große neue Struktur, die seit dem 19. Jahrhundert in der Pyramide entdeckt wurde.
„Wir wissen nicht, ob dieser große Hohlraum horizontal oder geneigt ist. Wir wissen nicht, ob diese Leere durch eine Struktur oder mehrere aufeinanderfolgende Strukturen entsteht. Wir sind uns sicher, dass diese große Lücke da ist, dass sie beeindruckend ist und dass sie – soweit ich weiß – von keiner Theorie erwartet wurde“, sagte Tayoubi, als die Nachricht im November 2017 bekannt wurde. P>
Aber vielleicht beeindruckender als die beiden Entdeckungen war die Tatsache, dass sie gemacht wurden, während die Pyramide vollkommen intakt blieb. Es hatte keine Ausgrabungen oder Demontagen der Struktur gegeben. Es wurden keine Kammerwände durchbohrt und keine versiegelten Korridore geöffnet.
Das Team von ScanPyramids hatte tief in die Kalksteinblöcke gespäht, die aufgeschichtet waren, um die Wände des 140 Meter hohen Grabes zu bilden, und darin Hohlräume identifiziert, von denen niemand wusste, dass sie existierten. Und was diese erstaunliche Leistung möglich machte, war eine Technik namens Myonentomographie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Orte zu erkunden, die zuvor unerreichbar waren.
Die Myonentomographie ist ein bisschen wie die Weltraumforschung in umgekehrter Richtung. Anstatt Instrumente zu verwenden, die auf der Erde gebaut wurden, um den Weltraum zu untersuchen, verlässt es sich auf kosmische Strahlung, die im Weltraum erzeugt wird, um Dinge auf der Erde zu erforschen.
Kosmische Strahlen sind hochenergetische Teilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum rasen. Sie werden von der Sonne, Supernovae-Ereignissen außerhalb des Sonnensystems und sogar dem Urknall produziert. Sie reisen die ganze Zeit in alle Richtungen und es gibt so viele von ihnen, dass sie ständig mit den Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen in der Erdatmosphäre kollidieren. An diesem Punkt setzen sie eine Kaskade aus anderen Partikeln in Gang, ähnlich wie eine weiße Kugel, die bei einem Snooker-Spiel die Packung Rot bricht.
„[Wenn] ein hochenergetisches kosmisches Teilchen auf die obere Atmosphäre trifft, erzeugt es einen großen Teilchenschauer“, erklärt Prof. Ralf Kaiser, Physiker an der Universität Glasgow. „Die meisten dieser Partikel werden in der Atmosphäre gestoppt. Aber einige von ihnen schaffen es bis zum Boden. Und das sind typischerweise Myonen.“
Ein Myon ist ein Elementarteilchen, wie ein Elektron, aber 200-mal schwerer. Da sie so schwer sind und sich so schnell bewegen, können sie dichtes Material besser durchdringen als andere Arten von Strahlung wie Röntgen- oder Gammastrahlen. Aber im Gegensatz zu Röntgen- und Gammastrahlen beschädigen Myonen der kosmischen Strahlung das Material, das sie durchdringen, nicht.
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„[Myonen können] Dutzende Meter Beton durchqueren. Sie passieren auch Ihren Körper, ohne etwas zu tun“, sagt Kaiser. „Sie sind allgegenwärtig, durchdringend und kostenlos. Sie sind überall und sie sind Teil der natürlichen Umgebung.“
Kurz gesagt, Myonen sind genau das Richtige, um einen Blick in Strukturen zu werfen, in die Sie nicht hineinkommen können, Strukturen wie versiegelte Kammern in Pyramiden, abgeschlossene Höhlen in archäologischen Stätten und Kanäle in Vulkanen. Der Trick dabei besteht jedoch darin, die Myonen einzufangen, die die Struktur passiert haben, und sie zu verwenden, um ein Bild von dem zu erstellen, was sich darin befindet.
Dr. Giovanni Macedonio, der Hauptforscher des Projekts MUon RAdiography of VESuvius (MURAVES), vergleicht den Prozess mit einer Röntgenaufnahme. Wenn sich ein Objekt, sagen wir Ihr Arm, zwischen der Quelle der Röntgenstrahlen und der Kamera befindet, absorbiert Ihr Arm einen Teil der durch ihn hindurchtretenden Röntgenstrahlen. Die unterschiedliche Dichte von Haut, Muskeln, Blutgefäßen und Knochen bestimmt, wie viele der Röntgenstrahlen die Kamera erreichen – je dichter die Dinger sind, desto mehr Röntgenstrahlen absorbieren sie.
„[Im Wesentlichen] sehen wir die Schatten der verschiedenen Teile“, sagt Macedonio. Je heller die Schatten, desto dichter der Teil, und mit diesem Wissen ist es möglich, zwischen den Teilen im Inneren zu unterscheiden. Das gleiche Prinzip gilt für die Myonen-Tomographie und die Objekte, zu deren Untersuchung sie verwendet werden, wie zum Beispiel den Vesuv.
„Statt Röntgenstrahlen haben wir Myonen“, sagt Macedonio. „Munonen kommen aus allen Richtungen um die Erde herum, aber wir interessieren uns für diejenigen, die sich nahezu horizontal bewegen, damit sie den Vulkan durchdringen können. Die Myonen, die den ganzen Weg durch den Vesuv passieren, erzeugen einen Schatten dahinter.“ Durch die Platzierung von Myonendetektoren in der Nähe können Macedonio und seine Kollegen ein Bild dieses Schattens erzeugen, die Dichte der darin abgebildeten Materialien untersuchen und damit beginnen, die Strukturen im Inneren des Vesuvs zu unterscheiden.
Aber die Untersuchung von etwas so Großem wie einem Vulkan erfordert Geduld, denn Myonen sind winzig und nur etwa 100 von ihnen treffen auf einen bestimmten Quadratmeter pro Sekunde. Obwohl sie die Erde möglicherweise ständig bombardieren, dauert es eine Weile, bis sie genug von ihnen sammeln, um nützliche Informationen über etwas von der Größe des Vesuvs zu liefern.
„Der Myonenfluss ist nicht stark“, sagt Macedonio. „Die meisten von ihnen werden vom Vulkan absorbiert, also brauchen wir viel Zeit – wir brauchen Monate.“
Wenn Sie also irgendwann ein Bild bekommen, was können Sie damit machen? Kann man damit Eruptionen vorhersagen? Nein, nicht genau. Aber was Sie tun können, ist die Beziehung zwischen der Geometrie der Vulkankanäle und der Art der Eruptionen zu verstehen.
Insbesondere, welche Bedingungen Aschewolken (die Flugzeuge erden und Dächer einstürzen lassen können) oder pyroklastische Ströme (sich schnell bewegende, überhitzte Mischungen aus Gesteinsfragmenten und Gasen, die alles auf ihrem Weg verbrennen können) verursachen können, wenn der Vesuv ausbricht. Und wenn Sie diese Informationen mit seismischen und meteorologischen Daten kombinieren, können Sie jeden, der sich in Gefahr befinden könnte, warnen oder evakuieren, wenn ein Ausbruch ansteht.
Jüngste Fortschritte in der Bildgebungstechnologie ermöglichen es der Myonentomographie, ein wachsendes Anwendungsspektrum zu finden, aber die Technik ist nicht neu. Der Ingenieur EP George überprüfte damit 1955, weniger als 20 Jahre nach der Entdeckung des Myons (1936 durch Carl Anderson und Seth Neddermeyer), die Materialmenge über einer Mine in Australien.
Und noch vor Ende der 1960er-Jahre suchte der renommierte amerikanische Physiker Luis Alvarez mit der Myonen-Tomographie nach verborgenen Kammern in Pyramiden. „Wenn man sich die Originalarbeit von Alvarez und seine Maße der Pyramide ansieht, hat er absolut alles richtig gemacht“, sagt Kaiser. „Das war sehr geschickt gemacht. Er hat keine Hohlräume gefunden, aber er hatte einfach das Pech, in der falschen Pyramide zu suchen.“
Alvarez schaute in die Pyramide von Chephren. Hätte er seinen Detektor nebenan, an der Cheops-Pyramide, aufgestellt, wäre er dem ScanPyramids-Projekt vielleicht um fast 50 Jahre zuvorgekommen.
All dies erklärt in gewisser Weise, warum Myonendetektoren an einer wachsenden Zahl archäologischer Stätten auftauchen. Mit verbesserten Bildgebungsverfahren, die Bilder mit höherer Auflösung bieten, und billigeren, tragbareren Detektoren, die entwickelt werden, erweitert die Myonentomographie unseren Forschungsbereich, indem sie uns ein Fenster bietet – ein Fenster, das uns einen Einblick in Orte gibt, zu denen wir nicht gelangen können.
Und an solchen Orten mangelt es nicht. Der Monte Echia in Italien zum Beispiel ist eine 60 Meter hohe felsige Landzunge, die sich in den Golf von Neapel erstreckt. Es ist heute ein bebauter Teil der Stadt, aber vor fast 3.000 Jahren, im 8. Jahrhundert v. Chr., War es der Standort von Parthenope, der antiken griechischen Kolonie, die später zu Neapel wurde.
Die Landzunge besteht größtenteils aus Tuff, einem weichen, gelben Gestein aus Vulkanasche, das oft in antiken Bauwerken verwendet wird. Daher existiert ein komplexes System von Tunneln und Höhlen unter dem Berg Echia, wo Generationen von Menschen den Tuff ausgegraben haben, um ihn als Baumaterial zu verwenden.
Untersuchungen der Tunnel und Höhlen sind seit Jahren im Gange, aber 2017 erkannte ein Team von Physikern aus Neapel und Florenz, dass die Eigenschaften des Berges Echia ihn zum idealen Ort machen würden, um den Myonendetektor zu testen, den sie entwickelt hatten – teilweise, weil so viele davon vorhanden waren Hohlräume bereits bekannt sind (das Team hätte also etwas, womit es seine Ergebnisse verifizieren könnte), sondern auch, weil es nicht nur der Boden ist, unter dem die Hohlräume vergraben sind.
„Der Berg Echia ist kein isolierter Hügel; es ist vollständig von Gebäuden bedeckt“, sagt Prof. Giulio Saracino von der Universität Neapel Federico II und dem italienischen Nationalen Institut für Kernphysik (INFN). „Es war also kein einfacher Test. Aber es war sehr interessant, weil am Anfang nicht klar war, ob alle Gebäude die Messungen stören würden.“
Dennoch war der Test erfolgreich:Das Team konnte nicht nur eine Auswahl der bekannten Hohlräume identifizieren, sondern auch Hinweise auf einen neuen, bisher verborgenen finden. „Wir haben die neue Höhle entdeckt, sie dreidimensional rekonstruiert und konnten den Höhlenforschern [Höhlenexperten] ein Gefühl für ihre Position im Untergrund vermitteln, da es im Moment keine Möglichkeit gibt, sie zu erreichen“, sagt Saracino.
Vom Berg Echia ging es weiter zu einer weiteren höhlenartigen archäologischen Stätte in Cuma, einer Stadt in der Nähe von Neapel, von der angenommen wird, dass sie der Standort der ersten griechischen Kolonie auf dem italienischen Festland war. Die dortige Arbeit wurde durch die COVID-19-Pandemie unterbrochen, die nur eines der Hindernisse für die Untersuchungen der Myonentomographie ist – denn es müssen nicht nur die richtigen geografischen und topologischen Eigenschaften, sondern auch die politische Situation akzeptabel sein, wie Prof. Nural Akchurin von Texas Tech University erklärt.
„Wir haben versucht, unseren ersten Prototyp [Myonendetektor] in die Türkei zu bringen, um eine archäologische Stätte in Limyra abzubilden. Aber die Politik in der Türkei war chaotisch; es gab einen Putschversuch [im Jahr 2016] und viele Dinge kamen für ein oder zwei Jahre zum Stillstand … Also sagten wir:„Okay, lass uns einfach an einem zweiten Prototyp arbeiten“, weil wir die Dinge verbessern müssen.“ P>
„Aber wir haben nicht aufgegeben, unsere Instrumente irgendwo in der Türkei einzusetzen, und es gibt ein paar Kandidatenstandorte. Im Moment testen wir Dinge im Labor. Aber in Kürze könnten wir unsere Detektoren einsetzen – vielleicht das hier Sommer, wenn COVID dies zulässt.“
COVID hat sich auch auf das ScanPyramids-Projekt ausgewirkt. Bevor die Arbeiten im Jahr 2020 eingestellt wurden, hatte die fortgesetzte Myonentomographie an der Cheops-Pyramide mehr von dem kleineren Hohlraum enthüllt, der 2016 entdeckt wurde (was darauf hindeutet, dass es sich um einen Korridor handelt, der sich mindestens fünf Meter in die Pyramide erstreckt und möglicherweise nach oben geneigt ist) und die geschätzten Abmessungen von verfeinert die große Leere, die 2017 entdeckt wurde (jetzt wird angenommen, dass sie mindestens 40 Meter lang ist).
Wenn die weltweite Einführung von COVID-Impfstoffen nach Plan verläuft, könnten die Arbeiten am ScanPyramids-Projekt und den anderen möglicherweise bald wieder aufgenommen werden. Und wenn dies der Fall ist, könnten mehr der Geheimnisse, die in einigen der ältesten natürlichen und von Menschenhand geschaffenen Strukturen der Welt verborgen sind, ans Licht kommen.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 362 des BBC Science Focus Magazine – Erfahren Sie hier, wie Sie sich anmelden können
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