Do 13 października 2016 r. Mehdi Tayoubi już wiedział, że jego projekt ScanPyramids ma szanse powodzenia. Tego dnia Tayoubi wraz z zespołem spotkał się z grupą egiptologów, by poinformować ich, że w północnej części piramidy Cheopsa znaleziono małą nieznaną dotychczas naukowcom pustą przestrzeń. ScanPyramids rozpoczął się zaledwie dwanaście miesięcy wcześniej, a już przyniósł obiecujące rezultaty.

Później, w 2017 r., badacze rozbili bank – wewnątrz liczącej 4,5 tys. lat piramidy odkryli wielką komorę. Choć jej dokładne położenie pozostało nieznane, zespół Tayoubiego ustalił, że ma kilkadziesiąt metrów długości i znajduje się nad Wielką Galerią – korytarzem łączącym Komorę Królowej z komnatą zawierającą sarkofag faraona Cheopsa. Była to pierwsza nowa struktura odkryta wewnątrz piramidy od XIX wieku.

– Nie wiemy, czy jest pozioma czy nachylona. Nie wiemy, czy składa się z jednego pomieszczenia, czy kilku położonych sukcesywnie jedno za drugim. Jesteśmy jednak pewni, że ta wielka pusta przestrzeń znajduje się tam w środku, że jest imponująca, i że jej istnienia nie przewidywała żadna teoria – powiedział dr Tayoubi, gdy ogłaszano odkrycie w listopadzie 2017 r.

Być może jeszcze bardziej imponujący jest fakt, że obu odkryć zespół Tayoubiego dokonał bez naruszania struktury piramidy. Nie było nowych wykopalisk ani rozmontowywania jej konstrukcji. Żadne ściany nie zostały przewiercone, a zapieczętowane korytarze otwarte. Mimo to zespół ScanPyramids zajrzał do środka przez potężne bloki wapienia ustawione jeden na drugim na wysokość 140 metrów.

To zdumiewające osiągnięcie było możliwe dzięki technice zwanej radiografią mionową, która pozwala naukowcom badać miejsca wcześniej znajdujące się poza ich zasięgiem.

Miony powstają dzięki promieniowaniu docierającemu do Ziemi z dalekiego kosmosu

Radiografia mionowa jest jak eksploracja kosmosu a rebours. Zamiast używać urządzeń skonstruowanych na Ziemi, by badać Wszechświat, wykorzystuje promieniowanie kosmiczne, aby zgłębiać tajemnice kryjące się na planecie.

Promieniowanie kosmiczne to wysokoenergetyczne cząstki, które podróżują przez kosmos z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła. Emituje je Słońce albo wybuchy supernowych. Przemieszczają się w każdym kierunku przez cały czas, a jest ich tak wiele, że bez przerwy zderzają się z atomami tlenu i azotu w ziemskiej atmosferze.

W efekcie takiego zderzenia powstaje kaskada innych cząstek, która rozprzestrzenia się na dużym obszarze – tak samo dzieje się, gdy biała kula bilardowa uderza w zestaw bil kolorowych, które toczą się następnie po całym stole.

– Kiedy wysokoenergetyczna cząstka promieniowania kosmicznego wpada w zewnętrzne warstwy atmosfery, powstaje cały strumień cząstek – wyjaśnia prof. Ralf Kaiser, fizyk z Uniwersytetu Glasgow. – Większość z nich zatrzymuje się w atmosferze, jednak część dociera do powierzchni Ziemi. Najczęściej są to miony.

Miony przechodzą przez różne obiekty, nie niszcząc ich

Mion to cząstka elementarna 200 razy cięższa od elektronu. Dzięki swojej masie oraz prędkości ma większą zdolność wnikania w gęstą materię niż inne rodzaje promieniowania – rentgenowskie czy gamma. Co więcej, w przeciwieństwie do promieni gamma czy rentgenowskich miony nie niszczą tego, przez co przechodzą.

– Mogą przelecieć przez dziesiątki metrów betonu. Albo przez twoje ciało, nie robiąc mu nic złego – mówi prof. Kaiser. – Są wszechobecne i darmowe. Stanowią część naturalnego środowiska – dodaje.

Upraszczając, miony są doskonałym narzędziem umożliwiającym zajrzenie w środek struktur, do których nie ma jak się dostać – zapieczętowanych komnat w środku piramid, niedostępnych grot na stanowiskach archeologicznych czy kanału lawowego wewnątrz wulkanu. Trudność polega na schwytaniu mionów, które już przeszły przez taką strukturę, i wykorzystaniu ich do stworzenia obrazu tego, co znajduje się w środku.

Za pomocą mionów można prześwietlić wielki wulkan

Dr Giovanni Macedonio, główny badacz w projekcie Radiografia Mionowa Wezuwiusza (ang. MOun RAdiography of VESuvius, MURAVES), porównuje proces do robienia zdjęcia rentgenowskiego. To, co chcemy sfotografować – np. ramię – umieszcza się między lampą rentgenowską, czyli źródłem promieniowania, a błoną fotograficzną. Promieniowanie jest częściowo absorbowane przez obiekt, który przenika – tym bardziej im jest gęstszy.

Jeśli nic go nie pochłonęło, błona się zaczernia, w pozostałych miejscach jest w różnym stopniu rozjaśniona. – Im jest jaśniejsza, tym gęstszy był dany fragment przedmiotu badania – mówi dr Macedonio. –  Wiedząc o tym, możemy rozróżnić, co jest w środku – i np. obejrzeć na rentgenogramie kości.

Radiografia mionowa działa na tej samej zasadzie. – Tylko zamiast promieni rentgenowskich mamy miony – mówi dr Macedonio. – Napływają ze wszystkich kierunków, jednak nas interesują te, które biegną niemal płasko, tak że przenikają wulkan. Miony, które przeszły przez Wezuwiusza, pozostawiają po sobie cienie – wyjaśnia.

Umieszczając w pobliżu detektor mionów, Macedonio wraz z zespołem może wygenerować zdjęcie pokazujące te cienie, co pozwala wnioskować o gęstości poszczególnych części wulkanu. A dzięki temu – domyślać się, co jest w jego środku.

Radiografia mionowa pozwala lepiej zrozumieć erupcje wulkanów

Jednak badanie czegoś tak wielkiego jak wulkan wymaga cierpliwości, ponieważ miony są niewielkie (nawet jak na cząstki elementarne) i tylko średnio sto na sekundę uderza w metr kwadratowy materii. A więc mimo że bez przerwy bombardują Ziemię, zebranie ich tyle, ile potrzeba, by uzyskać użyteczne dane na temat czegoś wielkości Wezuwiusza, zajmuje sporo czasu.

– Strumień mionów nie jest silny – mówi dr Macedonio. – Większość jest pochłaniana przez wulkan, a więc badanie trwa całe miesiące.

A kiedy w końcu uzyska się zdjęcie, co można z nim zrobić? Czy na jego podstawie da się np. przewidywać erupcje? Niestety nie.

Jednak radiografia mionowa pozwala zrozumieć związek między geometrią kanału lawowego wulkanu a rodzajem wybuchu. A szczególnie pomaga przewidywać, kiedy w razie erupcji Wezuwiusza pojawią się chmury popiołu wulkanicznego, mogące uziemić samoloty.

Można też przewidzieć, czy z wulkanu wydostanie się materiał piroklastyczny – szybko przemieszczająca się i rozgrzana nawet do 1000 st. C mieszanina gazów wulkanicznych, popiołów i okruchów skalnych, niszcząca wszystko, co znajduje się na jej drodze. Jeśli połączy się te informacje z danymi sejsmicznymi i meteorologicznymi, można ostrzec lub ewakuować wszystkich, którym zagrażałby wybuch i jego skutki.

Nowe komnaty w piramidzie można było odkryć o 50 lat wcześniej

Postęp w technologii obrazowania sprawia, że radiografia mionowa może w przyszłości znaleźć wiele różnych zastosowań. Jednak sama technika nie jest nowa.

Inżynier E.P. George używał jej do oszacowania, ile jest materiału nad kopalnią w Australii już w 1955 roku, czyli niecałe dwie dekady po odkryciu mionów (w 1936 r. przez Carla Andersona i Setha Neddermeyera). A w latach 60. XX wieku sławny amerykański fizyk Luis Alvarez używał radiografii mionowej do szukania ukrytych komnat w piramidach.

– Jeśli zajrzysz do oryginalnego artykułu Alvareza i jego pomiarów piramid, spostrzeżesz, że zrobił wszystko jak trzeba – mówi prof. Kaiser. – Nie znalazł żadnych nowych komnat, bo miał pecha i wybrał do badań niewłaściwą piramidę.

Alvarez zaglądał do wnętrza piramidy Chefrena. Gdyby ustawił swój detektor przy sąsiedniej piramidzie Cheopsa, osiągnięcie ScanPyramids mogłoby zostać pobite o pięćdziesiąt lat.

Wszystko to wyjaśnia, dlaczego detektory mionów pojawiają się coraz częściej na stanowiskach archeologicznych. Wraz z rozwojem technik obrazowania dających zdjęcia w wyższej rozdzielczości oraz konstrukcją tańszych i mniejszych detektorów radiografia mionowa pozwala zajrzeć w kolejne miejsca, które wcześniej były dla badaczy niedostępne.

Radiografia mionowa pozwala odkryć starożytne jaskinie znajdujące się pod budynkami

A jest ich ciągle dużo. Na przykład wzgórze Monte Echia we Włoszech, skalny cypel sześćdziesięciometrowej wysokości w Zatoce Neapolitańskiej. Dziś częściowo pokrywa go zabudowa, ale niespełna 3000 lat temu, w VIII w. p.n.e., był to teren Partenope, niewielkiej osady starożytnych Greków, która później przekształciła się w Neapol.

Monte Echia zbudowane jest z tufu wulkanicznego, lekkiej skały osadowej, którą w starożytności wykorzystywano jako budulec. W rezultacie wzgórze przecina skomplikowany system jaskiń i tuneli, wydrążonych przez tych, którzy przez pokolenia pozyskiwali z Monte Echia tuf.

Badanie tego terenu trwa od dziesięcioleci, jednak w 2017 r. zespół fizyków z Neapolu i Florencji uznał, że wzgórze Monte Echia to znakomity teren do przetestowania detektora mionów. Częściowo dlatego, że część tamtejszych jaskiń i korytarzy była już znana (co pozwoliło zweryfikować skuteczność sprzętu), a częściowo ponieważ tamtejsze skarby nie są zakopane jedynie pod ziemią.

Monte Echia to nie puste wzgórze, stoją na nim budynki – mówi prof. Giulio Saracino z Uniwersytetu Neapolitańskiego im. Fryderyka II i włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Nuklearnej (INFN). – A więc to nie był prosty test. Interesowało nas szczególnie, jak obecność budynków wpłynie na dane uzyskiwane z detektora.

Badanie okazało się sukcesem: naukowcy nie tylko byli w stanie poprawnie zidentyfikować znane już jaskinie, ale również odnaleźli wskazówki sugerujące istnienie innych, dotychczas ukrytych. – Znaleźliśmy nową jaskinię, odwzorowaliśmy ją w trzech wymiarach i podpowiedzieliśmy speleologom, gdzie jej szukać – mówi prof. Saracino. – Na razie jednak nie ma do niej dostępu.