Физики применят частицы космических лучей, чтобы обнаружить скрытые помещения древнего монастыря вПереславле-Залесском.
Настоятель Данилова монастыря игумен Пантелеимон с мюонным детектором у стен храмаУченые из НИТУ МИСиС и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН приступили к обследованию неизвестных помещений Данилова монастыря в городе Переславле-Залесском методом мюонной радиографии. Для этого они установили серию уникальных датчиков, которые выявят неизвестные подвальные помещения и аутентичный фундамент здания церкви XVI века.
Старинный город Переславль-Залесский, основанный в 1152 году князем Юрием Долгоруким на берегу Плещеева озера, известен своими памятниками древнерусской архитектуры XII-XVII веков. Особое место среди них занимает Троицкий Данилов монастырь. Его ансамбль, состоящий из храмов и келий XVI начала XVIII века, был основан в 1508 году известным местным подвижником Даниилом.
Из построенных в то время храмов только Троицкий собор Данилова монастыря и здание церкви Похвалы Божией Матери дошли до нас без существенных переделок. В начале XVII века во время Смуты монастырь разделил тяжелую участь многих храмов: был разграблен. Многие документы, в том числе технические планы помещений, были безвозвратно утеряны. Здание храма неоднократно ремонтировалось и переделывалось (1720 год, 1849 год) и заслуживает специального изучения и реставрации.
Игумен Пантелеимон, кандидат богословия, настоятель монастыря:
Данилов монастырь изначально поставлен накладбище, иистория прото, где какие могилы есть, несохранилась. Иодно изнаших желаний увидеть, что сохранилось, что мыможем сказать оздешних захоронениях. Другое есть древний храм Похвалы, который существовал при основателе монастыря преподобном Данииле Переславском, икоторый был перестроен в1690-егоды, икакие-то подземные помещения доступны, аокаких-то мытолько можем строить гипотезы, что они существуют. Икак раз эти гипотезы мыпытаемся проверить. Это попытка вникнуть вто, как жили монахи донас, попытка понять, как эти помещения использовались, чтобы обживанием монастыря заниматься сопорой насуществующую традицию, неделать что-то поперек, чтобы была преемственность монашеской жизни. Мне, как настоятелю, хочется понимать, как жил монастырь 500, 300, 100 лет назад, ипоэтому эти исследования важны нетолько для поиска реликвий, ноидля изучения монашеской жизни.
Одной из задач коллектива физиков и материаловедов является исследование на предмет наличия неизвестных подвальных помещений и фундамента здания церкви Похвалы Божией Матери. Решить эту проблему доступным и безопасным способом без разрушения строений при раскопках позволяет метод мюонной радиографии на основе эмульсионных трековых детекторов.
Процесс производства детекторов в Центре прототипирования "Кинетика" НИТУ "МИСиС"Процесс производства детекторов в Центре прототипирования "Кинетика" НИТУ "МИСиС"Процесс установки детекторов в подвале храмаНаталья Полухина, д.ф-м.н., ведущий эксперт Центра инфраструктурного взаимодействия ипартнёрства MegaScience НИТУ МИСиС:
Татьяна Щедрина, о.Пантелеимон, о.Родион, Наталья ПолухинаИсследование, которое мы начинаем сегодня в Даниловом монастыре, использует методику ядерных фотоэмульсий для регистрации космического излучения мюона. Мы с ним живем, его не замечаем, он не вредит здоровью, но это излучение из-за высокой энергии и большой массы частицы способно проникать очень глубоко до двух километров скального грунта. Это свойство мюонов используется в мюонной радиографии. Мы считаем, сколько частиц пришло с какого направления и, в зависимости от того, вещество с какой плотностью находится на пути этих частиц, их приходит больше или меньше. По разности зарегистрированного числа мюонов мы можем сказать, что здесь есть пустота или наоборот здесь содержится какой-то более плотный объект. Ядерная фотоэмульсия один из старейших детекторов, используемых в физике элементарных частиц, в физике высоких энергий, в ядерной физике. Этой методике больше ста лет и только 20 лет назад произошел качественный скачок в ее развитии были созданы полностью автоматизированные сканирующие системы для обработки ядерных фотоэмульсий. Они обрабатывают эмульсию со скоростью сейчас уже несколько сотен квадратных сантиметров в час.
Мюонная радиография находит свое применение во многих прикладных исследованиях во всем мире, в частности, как перспективное дополнение к геофизическим и геологическим методам при анализе вулканических, сейсмических и карстовых процессов, в разведке полезных ископаемых, в области ядерной безопасности для радиационного мониторинга установок ядерно-энергетического комплекса, для осуществления неразрушающего контроля промышленных объектов.
В настоящее время исследователи произвели уникальную серию детекторов на фотоэмульсиях и приступают к полевой части проекта. Десятого ноября были установлены приборы на территории монастыря и начался процесс экспозиции (мюоны начнут сканировать скрытое подземное пространство). Этап займет до 2-3 месяцев, затем ученые приступят к расшифровке полученных данных.
Иеромонах Родион, к.ф-м.н., кандидат богословия, заместитель председателя Комиссии поработе свузами инаучным сообществом при Епархиальном советег. Москвы:
Контрольный детектор под крышей храмаВ Свято-Даниловом монастыре Переславля-Залесского нам удалось впервые на практике реализовать нашу инициативу по организации совместного академического проекта Церкви (Комиссия, Переславская епархия, ряд приходов г.Москвы) и научного сообщества (в лице коллективов НИТУ "МИСиС" и ФИАН) и, я очень надеюсь, мы получим первые результаты. Конечно, если говорить о церковном культурном наследии, то эту работу по его изучению при помощи естественно-научных методов никто не проводил системно никогда. Во-первых, основные методы появились и развились только в последние десятилетия. С другой стороны, само культурное наследие требует очень конкретного подхода в каждом случае. Существует проблема сопряжения физики понимают, что нужно измерить, но они не всегда знают, какой исторический контекст, какой результат с точки зрения истории, археологии надо подтвердить. Нужна постановка задачи, с одной стороны, физическая, с другой гуманитарная. Все это свести в едином проекте новая, интересная задача. Здесь нам это удалось впервые, потому что Данилов монастырь очень древний, очень много темных пятен в его истории в прямом и переносном смысле.
P.S. Пару слов отехнологии
1) Мюонная радиография уже обнаружила скрытое помещение впирамиде Хеопса. 2) Ранее научный коллектив НИТУ МИСиС иФИАН обследовал строение вцитатели Дербента сцелью проверки гипотезы отом, что это древнейший вРоссии христианский храм. 3) Метод это мюонный аналог рентгеновского аппарата, только куда более безопасный ипрозорливый, применяется как вфундаментальной науке, так иприкладных задачах: тут
А мы тем временем с нетерпением ждем результаты скрытые
клады через пару месяцев. Stay tuned.
Не будет преувеличением сказать, что тема этой публикации вынесена из комментариев, а именно из обсуждения статьи о бонобо Канзи. Благодарю уважаемого @kraidiky за ссылку на статью Максима Руссо о неандертальском искусстве. Также с огромным интересом прочел материал уважаемого @ra3vdx Застывшее время. Научные подходы к датированию. Действительно, датировка неандертальских рисунков при помощи уран-ториевого метода примечательна тем, что здесь мы наблюдаем применение геохронологического метода в археологии. Это исследование является не только замечательным примером перекрытия традиционно геологических и традиционно исторических методов, но и заставляет задуматься, в каких исторических масштабах радиоуглеродная датировка действительно проигрывает другим методам, и каковы перспективы уран-ториевого и уран-свинцового методов датировки при изучении сравнительно недавнего прошлого.
Начнем с того, что уран-ториевый метод датировки горных пород был изобретен значительно раньше, чем радиоуглеродный метод археологической датировки. Эрнест Резерфорд впервые упомянул о возможности использования уран-гелиевого метода для датировки горных пород еще в 1904 году, после чего Бертрам Болтвуд предложил использовать для этой цели не уран и гелий, а уран и свинец; свинец также образуется при распаде урана, но, в отличие от гелия, надежнее удерживается в родительской горной породе. В целом изыскания Резерфорда, связанные с радиоизотопной датировкой, были обусловлены его резким несогласием с оценкой возраста Земли, предложенной Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). Как известно, Томсон (1824-1907), пользовавшийся колоссальным авторитетом в английском научном сообществе в конце XIX века, не признавал дарвиновскую теорию эволюции, а в 1903 году также отказался признать факт радиоактивного распада. Поэтому, опираясь на чистую термодинамику, Томсон в 1862 году вычислил возраст Земли, исходя из скорости остывания горных пород и получил значение около 100 миллионов лет. В 1899 году он пересмотрел свои расчеты и счел, что реальный возраст Земли составляет 20-40 миллионов лет. Такого срока было совершенно недостаточно, чтобы могла состояться биологическая эволюция, но именно такое несоответствие во многом вдохновило Резерфорда на уточнение возраста горных пород.
История радиоуглеродного метода началась на полвека позже и развивалась существенно иначе. Его истоки восходят к научной работе Фрэнка Уилларда Либби, который обнаружил очень слабую радиоактивность у самария (период полураспада 106 миллиардов лет), а затем подробно рассмотрел и механизмы распада углерода-14 в естественных образцах углерода, тем самым заложив основы радиоуглеродного метода датировки. В 1960 году его работа была отмечена Нобелевской премией по физике. О деталях применения радиоуглеродного метода подробно рассказано в статье Ильи Леенсона в журнале Троицкий вариант, размещенной также на сайте Элементы, а также в вышеупомянутой статье Застывшее время на Хабре. В археологических масштабах радиоуглеродный метод исключительно удобен, так как все живые существа потребляют углерод с известным соотношением изотопов 12С (основной, стабильный), 13C (стабильный, встречается в природе в незначительных количествах) и 14C (содержание незначительно, но достаточно для археологической датировки).
К сожалению, обсуждение радиоуглеродного метода в научно-популярной литературе зачастую получается однобоким; аргументация данного метода сводится к опровержению креационистских заблуждений. Например, именно в таком ключе выдержана знаменитая книга Кости, скалы и звезды Криса Терни. Так, особое внимание уделяется датировке Туринской плащаницы, ткань которой, согласно трем независимым исследованиям 1988 года, могла быть изготовлена в период с XI по начало XIV века. Вполне возможно, что в религиозной американской аудитории, с учетом которой пишутся такие книги, действительно критичен процент людей, буквально воспринимающих библейские мифы и, в частности, ветхозаветную хронологию. Но я склонен отдельно подчеркнуть те недостатки радиоуглеродного метода, из-за которых он применим лишь с перекрестной проверкой другими методами, в частности, калий-аргоновым, и в ограниченном временном диапазоне.
Наиболее серьезный недостаток радиоуглеродного метода заключается в сравнительно кратком периоде полураспада углерода-14, составляющем около 5370 лет. Лабораторно обнаружимые количества углерода-14 в образце могут сохраниться по истечении примерно 13 периодов полураспада. Таким образом, радиоуглеродный метод позволяет заглянуть в прошлое не далее, чем на 70000 лет, а на отрезках свыше 25000 лет уже может сбоить.
Поэтому даже в сравнительно недавних исторических масштабах оценки, полученные радиоуглеродным методом, необходимо проверять. В качестве такого страховочного метода зачастую применяется дендрохронология, о которой очень подробно и наглядно рассказано в вышеупомянутой статье "Застывшее время. Научные подходы к датированию". Когда на месте раскопок сохраняется большое количество деревянных фрагментов и артефактов, как, например, при исследовании культурных слоев Великого Новгорода, можно изучить последовательность узких и широких годичных колец в древесине и достаточно точно определить, когда дерево умерло (то есть, перестало наращивать годичные кольца, например, было срублено). Для подобной калибровки используются целые дендрошкалы. Правда, этот метод также может сильно сбоить, поскольку подразумевает, что бревно пошло в строительство или обработку сразу после того, как было срублено, и дата изготовления артефакта или сруба примерно соответствует дате гибели дерева. Разумеется, эти даты могут серьезно отличаться.
Другая сложность заключается в специфике самого процесса фотосинтеза, в процессе которого дерево накапливает углерод, а также наращивает годичные кольца. Широко известен факт колебаний этого процесса, зависящих от солнечной активности. При высокой активности солнца радиоактивный углерод накапливается ускоренными темпами. В данном контексте интересно почитать о так называемых Событиях Мияке, особенно о пиковом уровне углерода-14 в 774 году, связанном, вероятно, с мощнейшей солнечной вспышкой в истории.
В недавней статье, посвященной радиоуглеродной датировке событий около 1500 года до н.э., в частности, извержения вулкана Санторини, указывается, что калибровка радиоуглеродных данных при помощи дендрохронологии также неточна. Дело в том, что в Европе дерево фотосинтезирует примерно с апреля по октябрь, тогда как в жарком климате Ближнего Востока этот процесс сдвинут примерно на полгода и длится примерно с октября по апрель.
Наконец, радиоуглеродный метод не слишком надежен из-за удревнения или омоложения образцов, происходящего по естественным причинам. Например, в водоемах артефакты могут загрязняться более старым углеродом из окружающих пород (так называемый эффект водоема). Чужеродный углерод может попадать в образцы при пожарах, из сажи и дыма. Наконец, углерод-14 в значительных количествах образуется при наземных ядерных испытаниях, в результате чего в будущем датировка образцов из нашей эпохи при помощи радиоуглеродного метода будет серьезно затруднена. Так, на рис. 1 из этой статьи хорошо видно, что в середине XX века количество углерода-14, образовавшегося при испытаниях, сравнимо с естественным уровнем.
Таким образом, как справедливо отмечается на сайте Антропогенез.ру, радиоуглеродный метод датирования удобен и хорошо изучен, но может применяться в археологии только в совокупности с другими методами, прежде всего, с дендрохронологическим для перекрестного контроля.
Геохронологические методы датировки связаны с измерением соотношения изотопов тех или иных элементов в горной породе. Естественным продолжением уран-гелиевого и уран-свинцового метода, о которых упоминалось в начале этой статьи, стал калий-аргоновый метод. При расщеплении радиоактивного ядра калия-40 образуется ядро аргона-40. Период полураспада у калия-40 гораздо больше, чем у углерода-14 и составляет 1,25 миллиарда лет. Подсчитав количество аргона-40 в породе, можно подсчитать количество актов полураспада и, соответственно, возраст породы. Калий-аргоновый метод удобнее уран-гелиевого, так как ядро аргона крупнее ядра гелия и не так быстро покидает породу. Тем не менее, калий-аргоновый метод применим лишь для датировки магматических, но не осадочных пород. Требуется, чтобы порода очень быстро застыла (кристаллизовалась), и калиевые часы заработали. Поэтому калий-аргоновый метод находит применение как в геологии, так и в археологии. Замечательный пример проверки калий-аргонового метода в археологии связан с измерением уровня аргона на месте Помпей, погибших в результате извержения Везувия в 79 году н.э. Здесь мы имеем дело с событием, дата которого точно известна из исторических источников, а также с местом раскопок, где сохранились и многочисленные материальные артефакты, и быстро кристаллизовавшаяся лава.
Тем не менее, принципиальная разница между дендрохронологией и радиоуглеродным анализом с одной стороны и геохронологическими методами с другой, заключается, прежде всего, в области их применения. Культурный слой и осадочные породы плохо поддаются калий-аргоновой датировке, а подсчет содержания аргона-40 в магматической породе лишь косвенно позволяет определить возраст органических включений, попавших в эту породу. В отличной статье с сайта института ядерной физики МГУ дается обзор основных геохронологических методов датировки, из которого я скопирую две наиболее интересные, на мой взгляд, таблицы.
Основные геохронологические методы (исходный и конечный элемент)
Определение возраста осадочных отложений в Дагестане калий-аргоновым методом
Для полноты картины поговорим о других изотопных методах датировки. Все они упомянуты в вышеприведенной таблице по ядерной хронологии.
Калий-аргоновый метод впервые описал Карл фон Вайцзеккер (1912-2007) в 1937 году. Он показал, что радиоактивный калий-40 может превратиться в радиоактивный аргон-40 путем K-захвата либо в радиоактивный кальций-40 путем бета-распада. Поскольку калий является седьмым по содержанию элементом в земной коре, а скорость превращения калия-40 в аргон-40 достаточно стабильна, именно этот метод используется на практике чаще других изотопных методов. Правда, с 1960-х активно используется и более сложный аргон-аргоновый метод, связанный с измерением соотношения радиогенного и нерадиогенного аргона в образце.
Таким образом, изотопные методы датировки связаны с измерением соотношения изотопов родительского радиоактивного элемента и дочернего радиоактивного элемента в породе. В качестве таких пар подходят комбинации, в которых период полураспада родительского элемента достаточно велик, а сам родительский радиоактивный изотоп (и продукты его распада) достаточно распространены в земной коре.
Рубидий-стронциевый метод связан с бета-распадом рубидия-87 и превращения его в стабильный стронций-87. Впервые предложен для определения геологического возраста в 1937 году. Этот метод удобен благодаря тому, что стронций легко замещает кальций в горных породах и долго в них сохраняется. Тем не менее, в большинстве земных пород такой изотоп стронция очень сложно отделить от природного, поэтому метод находит лишь ограниченное применение: он удобен для определения возраста метеоритов, а также применялся для определения возраста лунного грунта.
Самарий-неодимовый метод впервые описан в 1947 году и является одним из наиболее точных, так как 1) период полураспада самария очень велик выше упоминалось, что он составляет 106 миллиардов лет; 2) при распаде самария-147 образуется изотоп неодим-143, который легко отделить от более распространенного в природе неодима-144. При этом, 3) самарий и неодим являются редкоземельными металлами, и отличаются значительно меньшей химической реактивностью, чем щелочные металлы калий и рубидий и щелочноземельные кальций и стронций. Поэтому содержание самария и неодима меняется относительно стабильно, и с их помощью можно измерять возраст не только магматических, но и метаморфических, и осадочных пород, в том числе, подвергшихся химическому воздействию. Основной недостаток метода заключается в значительной редкости самария и неодима, а также минералов, в которых они содержатся.
Рений-осмиевый метод принципиально похож на вышеупомянутые. Он связан с превращением рения-187 в осмий-187. Оба этих элемента очень редки, но этот метод датировки позволил определить как возраст земной мантии, так и возраст метеоритов. Более того, именно по данным рений-осмиевого метода удалось установить, что возраст мантии и возраст метеоритов примерно совпадают, а, значит, метеориты и планеты образовались в Солнечной системе в один и тот же период времени.
Согласно обзору 2015 года, существуют до 40 различных изотопных геохронологических методов, в том числе, лютеций-гафниевый (Lu-Hf), лантан-бариевый (La-Ba) и лантан-цериевый (La-Ce). Все эти экзотические методы предназначены, в основном, для определения относительного возраста небесных тел и с исследованием космологических процессов. Мы же в оставшейся части этой статьи поговорим об уран-торий-свинцовом методе датировки, как об одном из самых первых и точных. Уран-торий-свинцовый метод замечателен тем, что и уран-238, и торий-232 обладают огромными периодами полураспада (4,5 млрд лет и 14,01 млрд лет соответственно), и в ходе длинной цепочки изотопных превращений дают на выходе стабильные изотопы свинца соответственно, свинец-206 (ряд урана) и свинец-208 (ряд тория). При этом исключительная археологическая ценность урана и тория заключается в том, что их микродозы, как правило, содержатся в различных карбонатах и натечных образованиях, встречающихся во множестве пещер. Карбонаты содержатся в ракушках, и именно для определения их возраста уран-ториевый метод исходно применялся в археологии.
Итак, изучение неандертальской культуры находится на пределах возможности радиоуглеродного метода. Считается, что неандертальцы обитали в Европе и на Ближнем Востоке в период со 130 примерно по 30-35 тысяч лет назад, а максимальный расцвет в Европе пережили около 100000 лет назад (мустьерская культура). Этот период относится к позднему плейстоцену (плейстоценовая эпоха в истории Земли продолжалась с 2,58 млн лет назад примерно до 11,7 тыс. лет назад). Важно отметить, что датировка плейстоценовых окаменелостей давно и успешно осуществляется именно с использованием уран-ториевого метода. Поскольку, как указано ниже, микродозы урана и тория содержатся в карбонатах, эти изотопы можно обнаружить в костях доисторических животных, в частности, мамонтов, и даже в остатках коллагена.
При анализе возраста наскальной живописи особое внимание уделялось рисункам, выполненным с использованием древесного угля поскольку этот материал подходит для радиоуглеродного анализа.
В 2012 году вышла одна из первых объемных статей, доказывающих высокую точность уран-ториевого метода при датировке наскальной живописи. Авторы отмечают, что древесный уголь сравнительно редко применялся в наскальной живописи кантабрийских пещер, но в силу возраста (40000 лет и более) эти рисунки уже успели покрыться существенным слоем натечных образований, содержащих уран и торий. Соответственно, их возраст примерно равен возрасту непосредственно прилегающего к ним слоя карбонатов.
Тем не менее, 40000 лет назад это уже эпоха кроманьонцев, антропологически современных людей. До самого недавнего времени наличие развитого изобразительного искусства у неандертальцев оставалось под сомнением, пока в 2018 году не была опубликована статья о рисунках в пещере Куэва-де-лос-Авионес в юго-восточной Испании. Возраст наскальной живописи в этой пещере был определен при помощи уран-ториевого метода и составил порядка 66-70 тысяч лет. Там же были найдены окрашенные раковины, также поддающиеся именно уран-ториевой датировке.
Вот примеры неандертальской живописи, взятые на сайте института им. Макса Планка:
1) Возраст 64000 лет
2) Возраст 66000 лет
Эти находки позволяют предположить, что неандертальцы, как минимум, обладали богатым (в том числе, абстрактным) мышлением, сложной социальной организацией, а также хорошо разбирались в окружающих минералах. При этом датировка кальцитовых отложений уран-ториевым методом показывает, что древнейшие образцы наскальной живописи на Пиренейском полуострове могли быть созданы еще 115000 лет назад.
Тема когнитивных возможностей и абстрактного мышления доисторического человека, бесспорно, заслуживает отдельной публикации. Завершая эту, хотелось еще раз подчеркнуть, насколько неожиданные результаты может давать научный поиск, в особенности междисциплинарный. Фрэнк Уиллард Либби был удостоен Нобелевской премии за изобретение метода, поначалу обеспечивавшего датировку археологических образцов в значительно более скромных исторических масштабах (до 10000 лет). Эрнест Резерфорд же первым начал исследовать соотношение урана и гелия в горных породах, преследуя отнюдь не археологические цели, а борясь с абсурдными хронологическими построениями Кельвина, величайшего ученого своего времени. Но лишь в начале XXI века пришло время применить метод Резерфорда и Болтвуда в археологии, и результаты превзошли все ожидания.
Уже собираясь заканчивать этот рассказ, я нашел еще один замечательный пример использования уран-ториевого метода в археологии, и не могу им не поделиться. 13 января 2021 года в журнале Science Advances была опубликована статья о том, что на острове Сулавеси в Индонезии найдено древнейшее известное изображение животного. Вот оно:
Это целебесская свинья, эндемик острова Сулавеси. Обитает там до сих пор, и даже была одомашнена местными жителями. Уран-ториевый метод показывает, что этому рисунку порядка 43900 тысяч лет (по Википедии 45500). Скорее всего, автор рисунка относился к людям современного типа.