Мюонная томография показала наличие в пирамиде Хеопса нового помещения

Рис. 1. Обнаруженная пустота в пирамиде Хеопса на 3D-схеме помещений пирамиды. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Пирамида Хеопса, или Великая пирамида Гизы, построенная во времена IV династии фараоном Хуфу (Хеопсом), — единственное из Семи чудес света, уцелевшее до наших дней. И хотя ее возраст уже 4500 лет и это самая большая из всех древнеегипетских пирамид, до сих пор ведутся споры о том, как она была построена. Чтобы изучить внутреннюю структуру пирамиды, ученые применили метод мюонной томографии и обнаружили ранее не известную камеру длиной не менее 30 метров. Это первое с XIX века большое открытие в пирамиде Хеопса, и оно даже не потребовало проведения раскопок.

Впервые метод мюонной томографии (или космическая лучевая радиография, см. Muon tomography) был применен для поиска пустот в египетских пирамидах в 1969 году американским физиком Луисом Альваресом (он получил Нобелевскую премию по физике в 1968 году за открытие резонансов; известен также как автор метеоритной гипотезы вымирания динозавров) с коллегами (L. W. Alvarez et al., 1970. Search for Hidden Chambers in the Pyramids). Они изучали вторую по величине пирамиду Гизы — пирамиду Хефрена (Хафры), которая отличается от пирамиды Хеопса (Хеопс — отец Хефрена), в частности, тем, что в ней обнаружена только одна камера, в самом низу постройки (рис. 2). С одной стороны, это наталкивало на мысль, что в пирамиде Хефрена должны быть еще помещения, которые пока остаются спрятанными. С другой стороны, это облегчало поиск: в 1969 году метод мюонной томографии был далеко не так хорошо разработан, как сейчас, так что предпочтительно было выбрать объект, для которого достаточно рассудить, есть ли в нем пустоты вообще, а не отличать одну пустоту от другой. К сожалению, тогда никаких новых камер в пирамиде Хефрена найдено не было.

Рис. 2. Экспериментальное оборудование Луиса Альвареса в нижней (и единственной известной) камере пирамиды Хефрена. В дальнем конце комнаты справа — искровая камера. Фото из статьи L. W. Alvarez et al., 1970. Search for Hidden Chambers in the Pyramids

Поясним, как работает мюонная томография. Мюоны — это лептоны второго поколения, они обладают такими же свойствами, как и их собратья электроны (лептоны первого поколения), но имеют массу в 207 раз больше. Мюоны очень сложно остановить в веществе. Например, большую часть детектора CMS в Большом адронном коллайдере (БАК) составляет мюонный калориметр: чтобы остановить мюоны, рождающиеся в столкновениях высокоэнергетических частиц в БАКе, требуется очень много вещества. Для иллюстрации большой проникающей способности мюонов обычно используют такую аналогию: представьте себе рассыпанные по полу шарики для пинг-понга (электроны атомов вещества). И по этому полу с маленькими шариками катится шар для боулинга (мюон). Сколько раз шару для боулинга необходимо столкнуться с шариками для пинг-понга, чтобы он остановился? Очень много раз.

Так что мюоны с легкостью пронизывают каменные блоки, из которых состоят пирамиды, и именно поэтому они подходят для томографии. При этом с веществом они все-таки взаимодействуют, хоть и слабо. И если в пирамиде имеется ранее необнаруженная пустота, то в ее направлении будет наблюдаться увеличение потока мюонов по сравнению с ожидаемым. Вторая причина, почему мюоны так хорошо подходят для данной задачи, — их много, и они постоянно летят на нас с неба. Мюоны — это вторичные частицы, рождающиеся, когда космические лучи проходят через атмосферу (см. Космические дожди). Поток мюонов на поверхности Земли составляет около 10 000 частиц на квадратный метр в минуту. И третья причина: их легко обнаружить, в отличие от, например, нейтрино, которые тоже имеют замечательную проникающую способность.

Мюонная томография применяется не только в египтологии. Например, так исследовали повреждения купола флорентийского кафедрального собора Санта-Мария-дель-Фьоре (см. статьи E. Guardincerri et al., 2016. Imaging the inside of thick structures using cosmic rays и E. Guardincerri, Muons in the Cathedral). Этот метод нашел применение и в вулканологии: его используют для исследования внутренней структуры вулканов (O. Catalano et al., 2015. Volcanoes muon imaging using Cherenkov telescopes). Также он был применен для осмотра поврежденного реактора Фукусимы (K. Borozdin et al., 2012. Cosmic Ray Radiography of the Damaged Cores of the Fukushima Reactors). Фактически, он применим везде, где требуется просканировать толщу вещества (см. статью Игоря Иванова «Упавшие с неба»). Но, пожалуй, самое захватывающее исследование, которое заставляет вспомнить фильмы про археолога и искателя приключений Индиану Джонса, — это исследование пирамид.

Scan Pyramids

В сентябре 2015 года ученые при поддержке Египетского министерства археологии начали работу по программе Scan Pyramids. Для исследования были выбраны Ломаная пирамида и пирамида Хеопса (Великая). Мюоны регистрировались с помощью эмульсионных пластинок, разработанных и изготовленных в Нагойском университете (рис. 3). Такой способ регистрации был выбран потому, что он дает очень высокую точность определения мюонных треков, а также потому, что пластинке, лежащей на полу в камере пирамиды, не нужны ни питание, ни громоздкое оборудование.

Рис. 3. Слева: пример мюонного трека в эмульсии. Справа: фотография одной из пластин, использовавшихся в исследовании, с обозначенными размерами. Изображение из статьи M. Kuno et al., 2017. Development of Analysis Method using GEANT4 for Cosmic Ray Radiography

Каждая пластинка имеет толщину около 300 микрометров. Этого достаточно, чтобы различить трехмерный мюонный трек в толще эмульсии и определить направление его прилета с точностью порядка угловой минуты. Такими пластинками застилается пол в одной из камер пирамиды и затем они экспонируются несколько десятков дней. Пластинки защищены слоем алюминия, который предохраняет их от засветки.

Ломаная пирамида

Проект Scan Pyramids начал работу в Ломаной пирамиде в декабре 2015 года. Ломаная пирамида, находящаяся в Дахшуре, отличается от классических пирамид Гизы своей неправильной формой (рис. 4). Главной задачей этого первого исследования было подтверждение работоспособности метода.

Рис. 4. Слева: Ломаная пирамида. Справа: схема внутреннего устройства пирамиды. Красной точкой обозначено положение эмульсионных пластинок в нижней камере. Синими пунктирными линиями — доступная для исследования область из данной точки. Изображение из статьи M. Kuno et al., 2017. Development of Analysis Method using GEANT4 for Cosmic Ray Radiography

Полная площадь установленных пластинок составила 3 квадратных метра. Они экспонировались в течение 40 суток. Ожидаемый поток мюонов можно промоделировать (рис. 5, слева). Интересно отметить, что верхняя камера (Chamber 2 на рисунке) попадает в поле обзора и хорошо видна как в моделировании, так и в реальных наблюдениях. Никаких скрытых камер обнаружено не было. Тем не менее это стало первым обнаружением уже известного помещения в пирамиде методом мюонной томографии и замечательным подтверждением работоспособности метода.

Рис. 5. Слева: ожидаемый поток мюонов, полученный в результате компьютерного моделирования 600-дневной экспозиции пластинок в Ломаной пирамиде. Справа: экспериментально измеренный поток. Изображение из статьи M. Kuno et al., 2017. Development of Analysis Method using GEANT4 for Cosmic Ray Radiography

Великая пирамида Хеопса

Второй на очереди для Scan Pyramids была Великая пирамида в Гизе, принадлежавшая фараону Хеопсу (рис. 6). Исследования здесь начались в июне 2016 года. Для расположения детекторов первоначально был выбран отрезок спускающегося коридора. Это узкий проход шириной 1–1,2 м, наклоненный под углом 26 градусов к горизонту, и здесь снова пригодился компактный размер эмульсионных пластинок: никакой другой детектор в этом месте не поместился бы.

Рис. 6. Слева: пирамида Хеопса в Гизе. Справа: схема внутренних галерей и комнат пирамиды. Обозначено место установки эмульсионных пластинок и угол их обзора. Изображение из статьи M. Kuno et al., 2017. Development of Analysis Method using GEANT4 for Cosmic Ray Radiography

Пластинки экспонировались в течение 67 дней. После их проявки обнаружилась аномалия: увеличение потока в определенном направлении (рис. 7). Это значит, что мюоны, прилетевшие с этого направления, прошли меньшую толщину камня. Значит, там находится пустота — какая-то не известная ранее камера.

Рис. 7. Слева: ожидаемый поток мюонов, полученный в результате компьютерного моделирования 150-дневной экспозиции пластинок в пирамиде Хеопса. Справа: экспериментально измеренный поток. Изображение из статьи M. Kuno et al., 2017. Development of Analysis Method using GEANT4 for Cosmic Ray Radiography

Чтобы лучше исследовать эту аномалию, физики расставили эмульсионные пластинки в разных местах коридора, а также в так называемой Камере царицы — одной из трех камер внутри пирамиды Хеопса. В последнем исследовании, проведенном из Камеры царицы и из коридора, отходящего от нее вбок, общая площадь установленных пластинок составила 8 квадратных метров, и они экспонировались в несколько подходов, каждый длился около 2 месяцев. Установка пластинок сразу в двух местах (рис. 8), между которыми было расстояние 10 метров, позволило получить стереоскопическое изображение потока мюонов и с большой точностью локализовать пустоту.

Рис. 8. а и b — общая схема пирамиды Хеопса с обозначением расположения детекторов: Нагоя — эмульсионные пластинки (расположение в камере царицы), KEK — сцинтилляторы, CEA — газовые детекторы. c — расположение детекторов CEA перед северной стороной пирамиды: G1 — первое положение, один детектор, G2 — второе положение, два детектора. d и e — расположение детекторов Нагоя и KEK в камере царицы. Указаны положения детекторов Нагоя, два указанных места находятся в 10 метрах друг от друга, и два положения детектора KEK — первое, H1, и второе, H2. f и g — детекторы Нагоя, h — KEK и i — CEA. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Историки давно спорили о том, что, возможно, в пирамиде Хеопса существуют еще не открытые помещения. Наконец-то на эти споры можно дать уверенный ответ: да, такое помещение действительно есть. Увеличение потока мюонов в направлении этой новой полости примерно такое же, как и в направлении на большую галерею, то есть эти помещения имеют примерно одинаковый размер (рис. 9). Статистическая значимость открытия — более 10σ.

Рис. 9. Результаты исследования эмульсионных пластинок Нагоя. а, b — экспериментально измеренный поток мюонов с двух позиций. c и d — моделирование с известными пустотами внутри пирамиды. Чтобы можно было рассмотреть новую пустоту подробнее, на гистограммах e и f показан поток мюонов из области, обозначенной на a, b, c, d белым прямоугольником, по горизонтальной координате (с запада на восток). g, h, i — восстановленные координаты обнаруженной полости в разных проекциях. А — Камера фараона, B — большая галерея, C — Камера царицы, D — боковой коридор от Камеры царицы. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

После открытия с эмульсионными пластинками существование пустоты было подтверждено с помощью сцинтилляторных детекторов, размещенных всё в той же Камере царицы, и с помощью газовых детекторов, расположенных снаружи пирамиды. Во всех случаях принцип один и тот же: чем большую толщу камня проходит поток мюонов от космических лучей, тем меньше их долетает до детектора. Таким образом измеряется полная толщина камня. Измерение с разных точек позволяет идентифицировать обнаруженные пустоты с большой точностью.

Сцинтилляционный годоскопический (способный определять треки частиц) детектор, разработанный в лаборатории КЕК Токийского университета, был установлен в Камере царицы. Он состоит из четырех слоев сцинтилляторов. Каждый слой набран из 120 брусков пластикового сцинтиллятора с сечением 1×1 см и длиной 120 см, то есть каждый слой — это квадрат 120×120 см. Каждый следующий слой повернут под прямым углом к предыдущему. Первый и второй слои стоят вплотную друг ко другу, третий и четвертый тоже, между вторым и третьим имеется регулируемый зазор, выставленный сперва на высоту 1,5 м. Проходящая частица рождает сигнал во всех четырех слоях. По тому, какие бруски сцинтиллятора «загорелись», можно по двум точкам (перекрестиям брусков в верхней и в нижней паре слоев) определить трек частицы. Сперва детектор был установлен в неудачном месте в Камере царицы, откуда новое помещение закрыто большой галереей. Через 5 месяцев работы детектор переставили на 2,9 м в сторону, а также сдвинули слои детектора до 1 м, чтобы увеличить угол обзора. Так детектор работал более года, да и сейчас продолжает еще набирать данные. И эти данные (рис. 10) подтверждают открытие, ранее полученное с помощью эмульсионных пластинок.

Рис. 10. Результаты исследования сцинтилляторным детектором KEK. а — измерения потока мюонов, полученные из положения H1 (рис. 8). b — то же, с вычтенным сигналом от известных помещений — Камеры фараона и Большой галереи. e — гистограмма потока по выделенному желтым прямоугольнику. b, d, f — то же, из положения H2. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Третий детектор, газовый, разработан в институте CEA во Франции. Это так называемый микромегаз-детектор (см. MicroMegas detector). По сути, это всё тот же газовый детектор — технология, давно используемая в физике частиц. Но здесь она доведена до совершенства: разрешающая способность детектора выше 100 микрометров, а временное разрешение — порядка 100 наносекунд. Приборы, называемые командой Scan Pyramids «мюонными телескопами», состоят каждый из четырех одинаковых газовых детекторов, расположенных один за другим. Регистрируются только те частицы, сигнал от которых появляется во всех четырех детекторах телескопа. Сперва пирамиду изучали с помощью одного телескопа, и существование таинственной камеры было подтверждено со значимостью 3σ. Но телескоп был расположен не совсем оптимально, так что было проведено дополнительное исследование с использованием двух таких телескопов. Их расположили перед северной стороной пирамиды и направили в сторону Большой галереи. Чтобы можно было просто сложить статистики обоих телескопов, их поставили близко друг к другу. Два месяца сбора данных позволили различить два направления, с которых мюоны летят намного чаще: одно направление соответствует Большой галерее, а другое — вновь открытому помещению (рис. 11). Это первое обнаружение (или подтверждение обнаружения) помещения в пирамиде с помощью детектора, расположенного снаружи от нее.

Рис. 11. Результаты исследования газовым детектором CEA. a — поток мюонов в двух координатах, снятый из положения G1. b — поток в направлении новой полости, c — в направлении на Большую галерею. d, e, f — то же из положения G2. h — схема поля зрения мюонных телескопов. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Итак, новая скрытая камера находится над большой галереей, ведущей в Камеру фараона. Ее длина составляет не меньше 30 метров, а высота — около 15 метров. Пока неясно, для чего была сделана эта камера. Ученые еще даже не понимают, как туда попасть: из известных ходов пирамиды туда не ведет ни один. Но это, безусловно, уже большое открытие. Все известные до сих пор камеры Великой пирамиды были открыты еще в Средневековье багдадским халифом аль-Мамуном. Говорят, что он не нашел ничего ценного в пирамиде.

Возможно ли, что скрытая камера является единственной дошедшей до нас в нетронутом виде сокровищницей Хеопса (хотя считается, что это маловероятно)? Или это технологическое помещение, которое зачем-то понадобилось при постройке? Мы пока не знаем. Команда Scan Pyramids пока не решается бурить пирамиду. Первым делом планируется провести еще серию исследований, чтобы точнее определить координаты обнаруженной пустоты. Затем, скорее всего, будет пробурено небольшое отверстие и таинственное помещение будет исследовано с помощью робота. На всё это потребуется время. Но одно можно сказать с уверенностью: обнаружение новой камеры — это выдающееся открытие и, возможно, самый большой вклад, сделанный в исследование пирамиды Хеопса современным человеком.

В качестве заключительного дополнения отметим, что мюонная томография — это не единственный неинвазивный способ исследования больших объектов вроде пирамид. Ранее, в 1986 году, та же пирамида Хеопса была исследована методом микрогравиметрии, то есть с помощью прецизионного измерения гравитационного поля пирамиды. На основании полученных данных было проделано три отверстия из коридора, ведущего в Камеру царицы. Но никаких пустот не было найдено. Современный анализ тех же данных показал, что сверление было чересчур преждевременно: наличие скрытой комнаты не подтвердилось.

Источник: Kunihiro Morishima, Mitsuaki Kuno, Akira Nishio, Nobuko Kitagawa, Yuta Manabe, Masaki Moto, Fumihiko Takasaki, Hirofumi Fujii, Kotaro Satoh, Hideyo Kodama, Kohei Hayashi, Shigeru Odaka, Sébastien Procureur, David Attié, Simon Bouteille, Denis Calvet, Christopher Filosa, Patrick Magnier, Irakli Mandjavidze, Marc Riallot, Benoit Marini, Pierre Gable, Yoshikatsu Date, Makiko Sugiura, Yasser Elshayeb, Tamer Elnady, Mustapha Ezzy, Emmanuel Guerriero, Vincent Steiger, Nicolas Serikoff, Jean-Baptiste Mouret, Bernard Charlès, Hany Helal & Mehdi Tayoubi. Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons // Nature. 2017. DOI: 10.1038/nature24647.

Михаил Столповский