X-ışını taraması gömülü timsahı ortaya çıkardı (3 boyutlu dijital rekonstrüksiyon, gösterilmiştir). Ancak timsahın karnındaki dinozor kemiklerini (kırmızı) keşfetmek için nötron taraması gerekti. ©M.A. WHITE ET AL/GONDWANA RESEARCH 2022 / ScienceNews

Bu çarpıcı bir keşif: Parçalanmış timsah, kertenkele katili Confractosuchus sauroktonos ve son yemeği olan dinozor kurbanının 100 milyon yıl önce taşta donmuş kalıntıları. Nötron tomografisi olmasaydı belki de hiç gün ışığına çıkmayacak bir vinyet. Nötronlar, nötronun 1932'de keşfedilmesinden kısa bir süre sonra endüstriyel ve askeri uygulamalarda görüntüleme amacıyla kullanılmaya başlanmış olsa da, bu atomaltı parçacıklar ancak son birkaç on yıldır bilim insanlarına fosillerin ve eski eserlerin içinde benzeri görülmemiş görüntüler sunmaya başladı.

Bir zamanlar fosilleri ve eserleri incelemek genellikle onlara zarar vermek veya yok etmek anlamına geliyordu. Mumyalanmış kalıntılar parçalara ayrılırdı. Mühürlü kaplar kırılarak açılırdı. Fosiller kayadan koparılırdı. Bazı durumlarda, fosil içeren örnekler, içindeki fosilleşmiş yapıları ortaya çıkaran dilimler halinde sıralı kısımların görüntülerini oluşturmak için katman katman öğütülürdü.

Neyse ki, X-ışınları tahribatsız içgörüler sunar. Elektromanyetik radyasyonun veya ışığın yüksek enerjili bir formu olan X-ışınları, elektrik yüklü parçacıklarla ilişkili elektrik ve manyetik alanlarla etkileşime girer. Bir doktorun muayenehanesinde, bir teknisyen kırık bir bacağa X-ışını demeti tuttuğunda, ışık bacaktaki atomların etrafındaki elektronların alanları tarafından saçılır veya emilir. Bir malzeme ne kadar yoğunsa, içinde o kadar fazla elektron paketlenir ve X-ışınları o kadar az etkili bir şekilde geçebilir. Bu nedenle vücudun kemikler gibi daha yüksek yoğunluklu kısımları X-ışını görüntülerinde daha düşük yoğunluklu kısımlara göre daha fazla göze çarpar. Deri, kas ve diğer yumuşak dokular esasen görünmezdir çünkü X ışınları doğrudan geçer.

X-ışınları, radyasyonun 1895'te keşfedilmesinden bu yana eserlerin gizli iç kısımlarının görüntülenmesini sağlamıştır. Ancak 1970'lerde hesaplama açısından yoğun X-ray CT geliştirildikten sonra, paleontoloji ve arkeolojide nesneleri incelemek için standart yaklaşım haline geldi. X-ray CT taraması artık 19. yüzyıl bilim insanlarının sıklıkla başvurduğu taşlama yönteminin günümüzdeki alternatifi. Yakın zamandaki örnekler arasında eski Mısır'dan mumyalanmış hayvanların taranması ; tutulmaları ve diğer gök olaylarını tahmin etmek için kullanılan eski bir Yunan astronomik hesap makinesi olan 2 bin yıllık Antikythera mekanizması üzerinde yeni ortaya çıkarılan yazıtlar; ve 20 milyon yıllık bir maymun kafatasındaki beyin boşluğunun incelenmesi yer almaktadır. Birçok büyük müze ve araştırma kurumunun elinde, esasen doktorların kullandığı sistemlerin aynısı olan kendi X-ray CT tarayıcıları vardır.

X-ışını görüntülemenin geçmiş hakkında ortaya çıkardığı her şeye rağmen, yine de bazı dezavantajları vardır. X ışınları, kurşun veya diğer metallerin kalın katmanları gibi özellikle yoğun bir malzemeye nüfuz ederek içinde saklı bir nesneyi göremez. Diğer taraftan, yumuşak doku gibi düşük yoğunluklu malzemeden yapılmış bir nesne X ışınları tarafından görünmez olacaktır.

Nötronlar resmi doldurabilir.

Bilim insanları, ilgilendikleri nesneleri gizleyen malzemelere nüfuz etmek için X-ışını ve nötron taramasına güveniyor. X-ışınları ve nötronların atomlarla etkileşimindeki farklılıklar, X-ışınlarının aksine nötronların neden kurşundan geçebildiğini ancak su tarafından engellendiğini açıklıyor. ©T. TIBBITTS / ScienceNews

Nötronlar, adlarından da anlaşılacağı gibi nötrdür. Bu atom altı parçacıkların elektrik yükü yoktur, bu nedenle nötron ışınları atomların yörüngesindeki elektronları fark etmez. Bunun yerine, nötronlar elektronların yanından geçer ve atomların merkezlerindeki proton ve nötronlarla dolu çekirdeklere çarpar. Gelen nötronlar bir atomun çekirdeğinden sekebilir ya da atomun içine absorbe edilebilir. Etkileşimler X-ışınlarından daha karmaşıktır ve nötronların ne kadar hızlı hareket ettiğine ve karmaşık kuantum mekanik etkileşimlerine bağlıdır.

Tomografi için uygun nötronlar, nispeten büyük parçacık hızlandırıcılarla veya nükleer reaktörlerin yan ürünleri olarak üretilir. Nötronlar nispeten yavaş hareket eder ve enerjileri CT tarayıcılardaki X-ışınlarının yüz milyonda biri kadardır. Bu yavaş nötronlar, lityum, bor ve hidrojen de dahil olmak üzere X-ışınlarının rahatça geçtiği bazı düşük yoğunluklu malzemelerle güçlü bir şekilde etkileşime girer.

Bevitt, hidrojen atomları nedeniyle "Nötronlar için su, X-ışınları için kurşun gibidir" diyor. Çok fazla hidrojen zengini malzeme nötron ışınlarından ayrıntıları gizleyebilir. Ancak tıpkı metal bir kalça ekleminin tıbbi bir röntgende öne çıkması gibi, hidrojen de nötron görüntülerinde bazı özellikleri görünür hale getirebilir. Öte yandan kurşun, demir ve bakır, düşük enerjili nötronlara karşı esasen şeffaftır.

Gaithersburg, Md.'deki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden fizikçi Jacob LaManna, nötron ve X-ışını görüntülemenin karşılaştırmalı yeteneklerini, kalın kurşun duvarlı içi boş bir fıçının içine sıkıştırılmış Asya zambaklarının CT "natürmortu" ile göstermeyi seviyor. LaManna, "Nötronlar kurşunun içinden geçebiliyor ve böylece çiçeklerin damar yapısındaki tüm suyu görebiliyorsunuz" diyor. Bir X-ışını taraması, fıçının opak dış yüzeyinden başka bir şey göstermeyecektir.

X-ışınlarını engelleyen yoğun malzemelerin içinden süzülme yeteneği, nötron görüntülemeyi otomobil ve uçakların endüstriyel testleri için önemli bir teknoloji haline getirmiştir. Parçacıklar, motor blokları içindeki hidrojen bakımından zengin yağ akışını ortaya çıkarabilir veya metal dökümlerdeki kusurları açığa çıkarabilir. 1970'lerden bu yana ABD ulusal laboratuvarları, ülkenin nükleer silah stoklarını geliştirmek ve korumak için nötron görüntülemeye güveniyor; nötronlar, yoğun bomba parçalarının içini haritalamak ve savaş başlığı bileşenlerinin içindeki hidrojen bakımından zengin füzyon patlayıcılarını incelemek için güçlü kalite kontrol araçlarıdır.

LaManna, NIST'de aynı anda X-ışını ve nötron görüntülemesi yapabilen Nötron ve X-ışını Tomografisi veya NeXT tesisini yönetiyor. İkili görüntüleme, hidrojen yakıt hücreleri, yapı malzemeleri ve toprak numuneleri gibi malzeme kombinasyonları içeren ve yalnızca bir veya diğer görüntüleme yaklaşımıyla incelenmesi zor olan şeyler hakkında farklı ancak tamamlayıcı bilgiler sağlar.

Son birkaç on yıl içinde, bu teknolojinin yetenekleri yaygınlaştıkça, giderek artan sayıda paleontolog, arkeolog ve antropolog nötron görüntülemeyi analitik araç kutularına ekledi. Bevitt, nötron görüntülemenin bir süredir var olmasına rağmen, "biz gerçekten bloğun yeni çocuklarıyız" diyor.

Nötron bilgisayarlı tomografi, parçalanmış bir timsahın karnındaki çok sayıda dinozor kemiğini ve Bevitt'in ilk dikkatini çeken uyluk kemiğini ortaya çıkarmanın yanı sıra, araştırmacıların kedi mumyalarını saran kumaşı açmadan incelemelerine, hileli bir şekilde bir araya getirilmiş eserleri bir arada tutan yakın zamanda uygulanmış yapıştırıcıların izlerini bulmalarına ve 380 milyon yıllık bir balıkta şimdiye kadar bulunan en eski omurgalı kalbini ortaya çıkarmalarına olanak tanıdı.

X-ışını ve nötron taraması birlikte, eski Mısır'dan mumyalanmış bu kedinin içini açmaya gerek kalmadan görmemizi sağladı. X-ışınları (ortada) kedinin iskeletini ortaya çıkarırken, nötronlar (sağda) değişen sıkılık ve kabalıktaki katmanlar da dahil olmak üzere kumaş sargıların ayrıntılarını gösterdi (iç kısım). ©C.A. RAYMOND AND J.J. BEVITT/MATERIALS RESEARCH PROCEEDINGS 2020 (CC BY 3.0) / ScienceNews

Paleontolog James Clark, Washington D.C.'deki George Washington Üniversitesi'nin bodrum katındaki laboratuvarında bir çift fosilleşmiş timsah kafatasını masanın üzerine koyuyor. 165 milyon yıllık fosiller, yakındaki modern bir timsah kafatasının yanında cüce kalıyor. Timsah kafatası ön kolum kadar uzunken, fosilleşmiş timsah kafatasları başparmağımın ucundan sadece biraz daha büyük.

Clark'ın kırk yıl önce Meksika'da topladığı bu kırılgan kafatasları, sertleşmiş tortu yığınlarının içine gömülmüş durumda ve aralarından sadece birkaç kemik ve diş görünüyor. İlk bakışta çiğnenmiş sakız tomarlarını andıran bu örnekler, taşlı, demir açısından zengin çamur taşından yapılmış. Clark, "Bunun röntgenini çekmeye çalışırsanız, temelde... tüm demirden kaynaklanan bu parlak parıltılarla karşılaşırsınız" diyor. Sonuç, iskelet yapılarını gizleyen bulanıklık ve çizgilerdir.

Clark, hassas kemikleri çevreleyen tortuyu temizlemek için hazırlayıcılar tutabilirdi. Ancak bunun yavaş ve pahalı bir süreç olduğunu ve sonunda numuneye zarar verebileceğini söylüyor.

Nihayet 2019'a kadar gizli kemiklere iyice bakabildi. Clark, Bevitt'le tanıştığı bir seminerin ardından nötron taramasının çözüm olabileceğini fark etti. Bu olay, LaManna ve 25 kilometre ötedeki Maryland'deki NIST tesisiyle tanışmasına yol açtı.

Araştırmacılar, demir açısından zengin çamur taşı içine gömülü antik bir timsahın kemiklerini görmek için nötron taramasına başvurdu. ©J. STIEGLER / ScienceNews

Nötron görüntüleme, timsah kafatasının numuneye zarar vermeden 3 boyutlu olarak görüntülenmesini sağladı. ©J. STIEGLER / ScienceNews

Smithsonian sanat konservatörü Ariel O'Connor hançer baltalarının nasıl bir araya getirildiğini bilmek istiyor. X-ray CT, içinde bulunabilecek taş, metal, lifler ve diğer malzemelerin kombinasyonunda işe yaramıyor. Nötron görüntüleme yardımcı olabilir, ama bir riski var. Nötron ışınları nesneleri radyoaktif hale getirir. Bir numunenin ne kadar radyoaktif olacağı her zaman önceden belli değildir, ancak malzemeler nötron ışınlarına maruz kaldıktan sonra günler veya haftalar boyunca insanlar için güvenli olan radyoaktivite seviyesini aşar, hatta bir müzede bile görülebilir.

LaManna, "Aslında hesaplamalar yapabilir ve sorunlu elementin ne olacağını ve ne kadar süre radyoaktif kalacağını belirleyebiliriz" diyor. "Ancak, temelde tamamen topraktan çıkarılan bir malzeme olan yeşim taşı söz konusu olduğunda, içinde beklemediğiniz her türlü madde olabilir." Bu da kalıntı radyoaktivitenin tahmin edilmesini zorlaştırıyor.

Böylece O'Connor bir test yapmaya karar verdi. O ve meslektaşları eski bir hançer baltasının kaba bir kopyasını yaptılar. Antik Çin yeşim taşı yerine Wyoming'den gelen yeşim taşını, bronz sapı taklit etmek için yeniden tasarlanmış bir kapı pervazından alınan pirinç yığınlarını ve bazı Shang hanedanı hançer baltalarını bir arada tutan türe benzer bir miktar ipek ipliği kullandılar. Ardından LaManna hançeri NIST'te X-ışınları ve nötronlarla taradı.

Beklendiği gibi, pirinç X-ışınlarına karşı tamamen opaktı ve replikanın yapısının özelliklerini gizliyordu. Ancak nötron ışını, pirinç sapın içine yerleştirilmiş yeşim taşının ve hatta tek tek ipek ipliklerin görünümü de dahil olmak üzere önemli ayrıntıları ortaya çıkardı.

Kalıntı radyoaktiviteye gelince, replika dokuz gün sonra herhangi bir önem taşımadığını gösterdi. Bevitt, genel olarak kalıntı radyasyonun hızla yok olduğunu söylüyor. Üzerinde çalıştığı bir fosil, radyum varlığı nedeniyle üç ay boyunca radyoaktif kalmıştı, ancak çoğu örnek birkaç hafta veya daha kısa bir süre içinde laboratuvarlara ve müzelere geri gönderilebilir.

Yine de bu belirsizlik ve replikanın kimyasal olarak gerçek hançer baltalarına ne kadar benzediğine dair sorular nedeniyle O'Connor henüz eserleri tarama riskini almaya hazır değil.

"Bir konservatör olarak, gelecek nesillere kalmalarını sağlamak için bu olağanüstü 3 bin yıllık nesnelerin korunması ve güvenliği bana emanet edildi. O'Connor, nötron görüntüleme gibi analitik bir teknik araştırma sorularımıza cevap verebilirse ancak indüklenen radyoaktivite nedeniyle nesneleri değiştirecek ve erişilebilir olmalarını engelleyecekse, "başka seçenekler arayacağız" diyor.

Fosil ve eski eserlerin incelenmesinde nötron tomografisinin artan popülaritesine rağmen, X-ray CT çoğu araştırmacı için görüntüleme tercihi olmaya devam etmektedir. 1990'larda, geçmişi incelemek için nötronların kullanılmasıyla ilgili yılda birkaç düzine bilimsel makale yayınlanırken, son zamanlarda bu sayı yılda yüzlere ulaştı. Fosillerin ve eserlerin X-ray CT ile görüntülenmesine ilişkin yayınların sayısı ise her yıl binlerle ifade ediliyor.

Çoğu zaman röntgen ışınları yeterlidir ve avantajları açıktır. Kalıcı radyoaktivite olmadan küçük ayrıntıları ortaya çıkarmak için yüksek çözünürlük sunarlar. X-ray CT makineleri de 50 yılı aşkın süredir tıbbi ortamlarda kullanıldıkları için yaygın olarak mevcuttur ve çoğu laboratuvara ve müze araştırma alanına sığacak kadar küçüktürler.

Şu anda gezegende sadece birkaç düzine nötron tomografi tesisi var. Uygun nötronları üreten parçacık hızlandırıcıları ve nükleer reaktörler büyük, pahalı ve ağır denetim altındadır. Münih Teknik Üniversitesi'nde nötron görüntüleme ışın hattını yöneten fizikçi Burkhard Schillinger'e göre, fosil ve antik eserleri analiz etmek için dünya çapında sadece bir avuç tesis mevcut. Amerika Birleşik Devletleri'nde birkaç, Avrupa'da yarım düzine ve Avustralya'da bir tesis olduğunu belirtiyor.

Yine de LaManna, erişim eksikliğinin tekniğin yaygın olarak benimsenmesindeki darboğaz gibi görünmediğini söylüyor. Kalıcı radyoaktiviteye ilişkin endişelerin yanı sıra, teknolojinin yeniliği ve genel farkındalık eksikliği de buna engel olabilir.

LaManna, NIST'e görüntüleme için fosil ve eski eser göndermeleri için "elimden geldiğince geniş bir kullanıcı yelpazesini işe almaya çalışıyorum" diyor. "Bu, daha geleneksel nötron çalışmalarına yer açmak için yol dışına itilmeleri gibi bir şey değil". "Sadece doğru kişilerin ilgilenmesini sağlayarak teklif yazmalarını, bize gelmelerini [ve] ışın zamanı elde etmek için bizimle birlikte çalışmalarını sağlamaya çalışıyoruz."

Avustralya'da yaşayan Bevitt, son on yılda dünyanın dört bir yanında verdiği konferanslar ve sosyal yardımlar aracılığıyla nötron tomografisini yaygınlaştırdı. Bu haber için iletişime geçilen uzmanların çoğu nötron görüntülemeye olan ilk ilgilerini Bevitt'in etkisine borçlu. Kendi ülkesindeki pek çok araştırmacı bu teknolojiyi çoktan benimsemiş durumda.

Bevitt, "Avustralya'da yeni bir dinozor keşfedildiğinde, ilk iş olarak laboratuvarımıza gelir" diyor.

Kaynak: ScienceNews