Promieniowanie rentgenowskie w archeologii

Do czasów nam współczesnych zachowuje się tylko niewielka część śladów po minionych społecznościach i z tego powodu ich wartość poznawcza jest bardzo duża. Rzadko zdarza się, że stan zachowania źródeł jest bardzo dobry, a wieki lub tysiąclecia zalegania w ziemi, piasku lub w wodzie miały znaczący wpływ na ich strukturę. W przypadku tych najdelikatniejszych pomocne są badania nieinwazyjne!

Nasza wiedza na temat przeszłości bazuje przede wszystkim na źródłach archeologicznych, czyli materialnych śladach działalności człowieka w przeszłości. Na stan ich zachowania mają wpływ zarówno sposób i materiał, z których zostały wykonane, jak i kontekst, w którym się znalazły po wyłączeniu z użycia. Archeolodzy pracują najczęściej nad obiektami noszącymi ślady rozkładu, zniszczenia lub dezintegracji, które dodatkowo są jeszcze wrażliwe na warunki zewnętrzne i wymagają dużej ostrożności w trakcie badań. Odpowiedzialność, jaka ciąży nad naukowcami, aby nie zniszczyć lub naruszyć przedmiotu badań, skierowała ich w stronę nieinwazyjnych metody badawczych, które nie naruszają struktury obiektu. Dzięki nim naukowcy mogą poznać pochodzenie obiektów, ich skład chemiczny czy sposób wykonania.

Kto wymyślił rentgen?

Promieniowanie rentgenowskie zostało odkryte przez Williama Röntgena w 1895 r. w czasie eksperymentów nad innym zjawiskiem – promieniami katodowymi. O nowym rodzaju niewidzialnych promieni, które odkrywca nazwał promieniami X, świat dowiedział się siedem tygodni później, 5 stycznia 1896 r. z artykułu w wiedeńskim dzienniku „Die Press”. Bardzo szybko promienie X znalazły zastosowanie w medycynie do bezinwazyjnego obrazowania ciała ludzkiego, a ich odkrycie uznawane jest powszechnie za kamień milowy w rozwoju medycyny.

Promieniowanie rentgenowskie zaczęto także wykorzystywać do badań dzieł sztuki i obiektów zabytkowych. W archeologii promienie X mogą być stosowane do obiektów wykonanych z różnego rodzajów materiałów organicznych (szczątków ludzi, zwierząt) i nieorganicznych (ceramiki, metalu, kamienia) i pozwalają na uzyskanie obrazów struktury (także wewnętrznej) obiektu, a nawet jego składu chemicznego, bez jego naruszania lub wpływania na jego właściwości. Do klasycznych rentgenowskich metod analitycznych, które mają charakter bezinwazyjny należą radiografia, tomografia rentgenowska oraz rentgenowska analiza fluorescencyjna (XRF). Promieniowanie rentgenowskie wykorzystywane może być także w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM-EDS)

Radiografia – co daje nam promieniowanie rentgenowskie?

Radiografia wykorzystująca promieniowanie rentgenowskie jest metodą prostą, choć wymagającą dostępu do specjalistycznego sprzętu. W trakcie badania promienie rentgenowskie przenikają przez obiekt proporcjonalnie do jego grubości i gęstości atomowej materiału, z którego został wykonany. W efekcie powstaje obraz w skali szarości oddający cechy lub części różniące się składem, grubością, gęstością, a nawet zdolnością do przepuszczania promieni. Rentgenogram uzyskany dzięki badaniu to dwuwymiarowy obraz, który pozwala na określenie metody wykonania obiektu, jego zawartości, napraw dokonywanych w czasie użycia, a nawet weryfikacji autentyczności obiektu.

Bardzo szybko po wprowadzeniu do użycia radiografia została wykorzystana do analizy obiektów zabytkowych. Już w 1896 r., rok po odkryciu W. Röntgena, prześwietlono pierwszą egipską mumię dziecka i kota. Obecnie dużą popularnością cieszy się także w badaniach naczyń glinianych. Rentgenogram pozwala na określenie metody wykonania naczynia (ręcznie lub przy pomocy koła garncarskiego, z jednego kawałka gliny lub z kliku łączonych części), a także sposobu mocowania uchwytów, a nawet śladów napraw.

Tomografia rentgenowska (komputerowa)

Promieniowanie X jest także wykorzystywane w tomografii rentgenowskiej (komputerowej) mającej zastosowanie w archeologii. Zaletą tomografii nad tradycyjnym badaniem rentgenowskim jest jej większa czułość, ponieważ badany obiekt jest prześwietlany wielokrotnie i pod różnymi kątami. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie obrazów przekrojowych (2D) oraz przestrzennych (3D). Metoda ta ma szczególne zastosowanie w przypadku mumii ludzkich i zwierzęcych, ponieważ w odróżnieniu rentgenogramu na obrazach uzyskanych w trakcie tomografii widoczne są także tkanki miękkie, organy oraz puste przestrzenie w ciele. Pozwala to na szczegółowe analizy zawartości mumii, w tym oceny jej szkieletu, obecności organów wewnętrznych, modyfikacji dokonanych w trakcie procesu mumifikacji, sposobu zawijania bandaży oraz obecności różnego rodzaju obiektów między bandażami, np. amuletów.

Tomografia komputerowa jako metoda nieinwazyjna nie wpływa na badany obiekt, a naukowcy mogą dokonać wirtualnego rozwinięcia mumii z jej bandaży bez niszczenia obiektu. Tomografia może być także stosowana do zabytkowych obiektów zamkniętych, np. zaczopowanych naczyń ceramicznych lub innych zamkniętych pojemników, których otwarcie mogłoby spowodować ich zniszczenie.

Zalety tej metody są szczególnie widoczne w przypadku badania mumii Amenhotepa I, drugiego władcy XVIII dynastii (1525-1504 p.n.e.). Choć grobowiec tego władcy nie został dotychczas zidentyfikowany, jego mumię odkryto w 1881 r. w Deir el-Bahari w Luksorze wraz z innymi mumiami władców i urzędników z czasów Nowego Państwa, które umieszczono w specjalnej skrytce za czasów XXI dynastii w obawie przed złodziejami. Mumia Amenhotepa I dotrwała nietknięta do czasów współczesnych ze względu na bardzo dobre zachowanie bandaży oraz ozdobną maskę i zdobienia girlandami kwiatów Choć mumia została prześwietlona promieniami X już w 1932 r., dopiero w 2019 r. podczas tomografii komputerowej ujawniła swoje tajemnice. Dzięki badaniu udało się ustalić nie tylko wiek władcy czasie śmierci, jego wzrost, szczegóły anatomiczne twarzy, ale także liczbę amuletów i innych ozdób umieszczonych między bandażami. Ponadto egipskim naukowcom udało się ustalić, że mumia była prawdopodobnie „naprawiana” dwukrotnie po szkodach wyrządzonych przez starożytnych rabusi.

Odmianą tomografii jest mikrotomografia (Micro CT), która umożliwia tworzenie obrazów o wysokiej rozdzielczości i większej szczegółowości, pozwalających na analizy struktur zewnętrznych i wewnętrznych obiektów. W tym przypadku promieniowanie rentgenowskie umożliwia oglądanie wnętrza obiektu warstwa po warstwie. Seria uzyskanych płaskich obrazów 2D jest wykorzystywana do modeli 3D. Może być ona stosowana do analizy wewnętrznej struktury szczątków organicznych (kości, zębów, muszli, tkanin), osadów geologicznych, ale także do innych obiektów zabytkowych wykonanych z materiałów nieorganicznych (gliny, metali). W przypadku naczyń ceramicznych metoda ta dostarcza informacji na temat surowca, z którego zostały wykonane, użytych domieszek (intencjonalnych lub naturalnych), a także metod ich produkcji.

Rentgenowska analiza fluorescencyjna (XRF)

Inną popularną metodą analityczną wykorzystującą promienie rentgenowskie w archeologii jest rentgenowska analiza fluorescencyjna (XRF). Stosuje się ją do analizy chemicznej i pozwala na oznaczenie od kilku do kilkunastu pierwiastków w badanych obiektach.

Spektrometr fluorescencji rentgenowskiej, wykorzystywany w tej metodzie jest urządzeniem prostym w użyciu i transporcie oraz może być stosowany do zabytków lub ich części wykonanych z różnych materiałów – ceramiki, metali, a nawet surowców kamiennych. Analiza nie wymaga pobrania próbki, a miejsce jej przeprowadzenia nie ulega zniszczeniu. Badanie bazuje na charakterystycznym promieniowaniu emitowanym przez każdy pierwiastek chemiczny, pozwalającym na jego identyfikację. W czasie analizy dochodzi do wzbudzenia promieniowania pierwiastków obecnych w badanej próbce, które jest widoczne w widmie emisji elektromagnetycznej pozwalając na ich identyfikację. Spektrometr fluorescencji rentgenowskiej może być wykorzystywany do identyfikacji materiału, z którego został wykonany zabytek, ale także pochodzenia zabytków ze względu na ich unikalny skład chemiczny.

Bardzo często XRF jest stosowany do analizy zabytków metalowych, ze względu na unikatowy skład surowców i możliwość identyfikacji ich wychodni. Dane otrzymane w czasie analiz mogą być wykorzystywane do szerszych interpretacji – np. strategii zdobywania i zaopatrywania się w surowce, przebiegu szlaków wymiany handlowej, kontaktów między społecznościami, a nawet ruchów ludności. Badania XRF na zabytkach metalowych ze stanowiska Tell el-Farcha we wschodniej Delcie Nilu, gdzie zlokalizowany był jeden z ważniejszych ośrodków wymiany handlowej między Egiptem a Lewantem w IV tysiącleciu p.n.e., potwierdziły, że miedź, z której wykonano zabytki pochodziła z półwyspu Synaj, potwierdzając tym samym hipotezę o kontaktach handlowych obu regionów.

Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)

W ostatnich latach Muzeum Archeologiczne w Poznaniu we współpracy z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie prowadziło badania nad kolekcją zabytków metalowych, poddając je wnikliwym analizom. Jednym z cennych obiektów badanych przy pomocy metody SEM-EDS była brązowa głowica berła sztyletowego z Łęk Małych w Wielkopolsce.

Skaningowy mikroskop elektronowy dzięki wysokiej rozdzielczości i dużej głębi ostrości jest wykorzystywany do badania różnorodnych obiektów archeologicznych (m. in. metali, ceramiki, kamieni, krzemieni, tkanin, materiałów organicznych – muszli, szczątków roślinnych), pozwalając na stworzenie obrazu morfologii próbki. Ponadto w połączeniu z spektroskopią dyspersji energii (EDS) metoda ta pozwala analizować skład chemiczny zabytku na podstawie promieniowania rentgenowskiego wybudzonego w trakcie badania i emitowanego z powierzchni obiektu. Wynik analizy otrzymuję się w tym przypadku w kilka sekund, jednak metoda ta wymaga dostępu do specjalistycznego sprzętu.

Przede wszystkim bezpieczeństwo!

Bezpieczeństwo obiektów zabytkowych powinno być stawiane na pierwszym miejscu w trakcie naukowych badań. Pozostałości po działalności człowieka w przeszłości mają unikalną wartość historyczną i metody analityczne stosowane w ich przypadku nie mogą powodować ich zniszczenia lub naruszenia ich struktury. Dzięki nieinwazyjnym metodom badawczym niewidzialne staje się widzialne, a archeolodzy otrzymują odpowiedzi na zadawane pytania badawcze na temat przeszłości. Dodatkową korzyścią jest zachowanie obiektów zabytkowych dla przyszłych pokoleń i nowych metod badawczych, które odkryte w przyszłości, mogą pomóc rozwiązać wiele tajemnic przeszłości.

Polecana literatura

• KURZAWSKA A., SOBKOWIAK-TABAKA I. 2011, Mikroprzeszłość. Badania specjalistyczne w archeologii, Poznań.
• RAFALSKA-ŁASOCHA A., ŁASOCHA W. 2019, Nowoczesne techniki rentgenowskie w badaniach zabytkowych obiektów, Labportal, URL: https://labportal.pl/nowoczesne-techniki-rentgenowskie-w-badaniach-zabytkowych-obiektow/ (Dostęp: 28/07/2023)
• SALEEM S.N., HAWASS Z. 2021, Digital Unwrapping of the Mummy of King Amenhotep I (1525–1504 BC) Using CT, „Frontiers in Medicine” 8:778498, DOI: https://doi.org/10.3389/fmed.2021.778498.
• ŚLĄZAK A. 2021, Po trzech tysiącach lat naukowcy cyfrowo „rozwinęli” mumię faraona, Nauka w Polsce, URL: https://naukawpolsce.pl/aktualnosci/news%2C90786%2Cpo-trzech-tysiacach-lat-naukowcy-cyfrowo-rozwineli-mumie-faraona.html (Dostęp: 28/07/2023)
• URBANIK A., Początki radiologii, Inforadiologia, URL: https://inforadiologia.pl/informacje,historia,56.html (Dostęp: 28/07/2023)
• MĄCZYŃSKA A. 2021. Re-Examination of Predynastic Pottery from Minshat Abu Omar (Nile Delta, Egypt), „Studies in Ancient Art and Civilisation”, 25 , s. 55–68, DOI: https://doi.org/10.12797/saac.25.2021.25.03.