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那个小女孩是谁?粒子加速器揭开古代肖像木乃伊之秘
2019-06-11 |文章来源: 小溪| 浏览次数:  |

  美国波士顿新闻社(PBS NewsHour)以“感谢粒子加速器,我们看到了这具古代木乃伊的内部”为题报道了一项绝无前例的研究。

  为何研究一具1900年前的木乃伊要感谢粒子加速器呢?这要从“法尤姆肖像木乃伊”说起。

美国波士顿新闻社的报道(图片来自网络)

  法尤姆肖像木乃伊

  5000多年前的古埃及人相信“来世永生”,他们认为人死后灵魂会依附在尸体上不会消亡。为表达对死者的缅怀并期待死者的来世复活,他们用特殊的方法将尸体处理成为“木乃伊”,其实就是不会腐烂的干尸。据考证,最早的木乃伊大约形成于公元前3200年。

  19世纪初,考古学家首次发现了一些可能于公元1~4世纪间制作的木乃伊上覆盖着色彩艳丽、表情栩栩如生的肖像(通常画在置于木乃伊包裹布之下的木板上,或直接画在木乃伊全身的裹尸布上),据说出自希腊人之手。由于这类肖像在埃及的法尤姆地区发现最多,故被称为法尤姆肖像。

  法尤姆肖像木乃伊的主人公都属于当时的社会精英阶层,例如宗教祭司、文武官员、船东、教师及其家庭成员。一般人应没有能力购买这种肖像画(人们相信这种画能确保死者灵魂复活),死后也不可能有如此奢华的殡葬。

  不少法尤姆肖像木乃伊在发掘过程中以及在当时流行的一种“打开木乃伊狂欢”活动中被用粗野的方式撕碎、损坏。所以,世界上现存的法尤姆肖像虽然数以千计,但保存完好的法尤姆肖像木乃伊仅有100具左右,尤为珍贵。

法尤姆肖像(图片来自网络)

法尤姆肖像木乃伊(图片来自网络)

  街区的画廊展览

  谁也没想到,一次街区画廊的法尤姆肖像展览竟促成了一个难得的机遇。

  美国西北大学位于伊利诺伊州的埃文斯顿市。2017年,西北大学街区的阿尔斯多夫画廊筹划在次年举办一个罗马时期埃及的法尤姆肖像展览,旨在探索古代丧葬绘画的发展史。

  此次展览的负责人是西北大学的材料科学与工程学教授马克·沃尔顿(Marc Walton),合作策划人是西北大学艺术博物馆的助理馆长埃西·伦克。参展的大部分法尤姆肖像展品来自加州大学伯克利分校的人类学博物馆,它们具有极大的历史及艺术价值。当伦克得知与西北大学毗邻的加勒特福音神学院图书馆也将提供一些馆藏品参展,便来到图书馆实地察看。她惊喜地发现该图书馆提供的参展品中竟有一具完整的法尤姆肖像木乃伊,属世界上仅有的约100具法尤姆肖像木乃伊之一,极为珍贵。

加勒特福音派神学院图书馆的法尤姆肖像木乃伊(图片来自网络)

  伦克了解到:这具木乃伊出土已有百年历史。1911年,本州富有的希巴德(Hibbards)家族资助了考古学家在埃及哈瓦拉地区的发掘工作,考古队的发掘获得了丰富成果,将所发现的一具法尤姆肖像木乃伊作为谢礼送给希巴德家族留念。1912年,希巴德家族将它捐给了本州芝加哥地区的西方神学院,存放在学院图书馆。后来,经历了数次院校合并,资产变卖等变迁,加勒特福音派神学院最终购买了该图书馆的所有藏品,包括这具法尤姆肖像木乃伊。之后,这具木乃伊一直在图书馆展示,也曾在很多展览中出现过,它没有被损坏而是完整地保存下来了。

  根据档案记录,这具3英尺长50英磅重的法尤姆肖像木乃伊在50多年前曾拍过一张X光片,确定里面是一个女孩。木乃伊裹着大量亚麻布,最外面裹成华丽的重叠菱形装饰图案,同时也能起到固定画有面部肖像木板的作用。面部的肖像是用蜂蜡和某类颜料绘制的,脸庞表情平静,深色的头发向后拢着。

女孩法尤姆肖像木乃伊近景(图片来自网络)

  伦克看到这具罕见的法尤姆肖像木乃伊完好无损,敏锐地感觉到她参与策划的这次展览将会有一个新的亮点。这个木乃伊女孩是谁?她遭遇了什么不幸?她有什么样的独特故事?这些问题都令伦克十分感兴趣。

  伦克与展览负责人沃尔顿教授即刻联系了西北大学细胞和分子生物学教授斯图亚特·斯托克(Stuart Stock)、古典文学与历史学助理教授塔科·特普斯特拉(Taco Terpstra)、芝加哥艺术学院的雷切尔·萨宾诺(Rachel Sabino)等人,共同讨论了研究这具木乃伊的意义,确定了下一步行动计划。

  跨学科研究

  这具法尤姆肖像木乃伊引起了材料科学、人类学、艺术史和博物馆研究领域研究人员的兴趣。为了开展更深入的研究,西北大学决定为此开设一门跨学科课程——“古代法尤姆肖像木乃伊的材料科学和社会经济学”,学生中包括工程学和人文学专业的本科生及研究生。学生们研究这具木乃伊从何而来?她有什么背景故事?并试图解开与她相关的一些谜团,例如:1900年前她的身体怎样制作为木乃伊?她骨头的质量如何?法尤姆肖像的制作方法、作画所用的技术等等。

参加跨学科课程的学生们正在对木乃伊进行测试(图片来自网络)

  由斯托克教授领导的研究团队分析了木乃伊50多年前拍摄的X光片,发现木乃伊中女孩的腹部有一个致密物体,亚麻布包裹上还有金属线头,他们想看看还能找到什么,决定先给木乃伊做个CT扫描。

  2017年8月,这具木乃伊被小心地送到西北纪念医院,然后轻轻地推入CT机进行无创的扫描。医院提供了木乃伊的CT扫描3D图像,使研究人员对木乃伊的组成和结构有了初步了解。可以确认的是这个女孩去世时大约5岁,在没有明显受到伤害的情况下,女孩很可能死于天花或疟疾等当时流行的疾病。在那个时代,有一半的孩子都活不过10岁。从女孩的肖像及相对豪华的殡葬表明她的家庭拥有高贵的身份。

木乃伊在西北纪念医院接受了一次CT扫描(图片来自西北纪念医院)

CT扫描显示出木乃伊中女孩的骨骼及亚麻裹布的包裹形式(图片来自西北纪念医院)

木乃伊头骨上碗状物的CT扫描图像重建(图片来自西北纪念医院)

  CT扫描发现了这具木乃伊一些隐藏的秘密:女孩在木乃伊化过程中除了心脏以外的内脏器官全被移除,她的鼻腔被穿孔用以切除大脑。头盖骨内有些碗状物的碎片,可能来自某种倒入颅骨中以帮助保存身体的材料,汇集在头骨底部填补大脑被移除后的空间。腹部上方包裹着一个致密球体,因CT扫描的分辨率所限,只能勉强分辨出形状,无法确定是石头还是某种材料的。在她的牙齿部位以及脚和头部周围的包裹布中发现了多个金属丝,还不清楚它们与木乃伊的其它部分是同时代的还是后来出于保护措施的现代补充物。

  CT扫描的结果并没有能回答所有的问题,寻找更多答案的工作还需要继续。怎样才能在不破坏它的前提下进行更深入的研究呢?

  十分巧合的是:拥有高亮度同步辐射光源APS的阿贡国家实验室就在本州,一个难得的机遇就这样来到了。

  为了保证不损伤这具木乃伊,不拆开她的外部包裹而能研究它的内部结构,斯托克教授提出:把木乃伊带到阿贡国家实验室(美国能源部的尖端研究机构)。该实验室配备了强大的APS同步辐射光源,先进的X射线衍射技术使研究人员能在纳米尺度对这具木乃伊进行更多的测试,产生比任何其它现有扫描结果更详细的3D图像,而这并不会对文物造成任何损坏。

  于是,2017年11月这具木乃伊再次“旅行”,小心翼翼地被运往阿贡国家实验室。

  用粒子加速器揭秘

  阿贡国家实验室的APS属第三代同步辐射光源,电子能量为7 GeV,是西半球亮度最高的X射线源。APS由直线加速器、增强器、储存环、插入件和实验大厅组成。APS提供的高亮度、高通量、高准直度、精确可控、能量连续可调的X射线为生命、材料、能源、环境等多种尖端科学研究提供了高水平的研究平台。

 

美国阿贡国家实验室APS同步辐射光源鸟瞰(图片来自网络)

 

APS直线加速器及增强器(图片来自网络)

 

APS储存环加速器(图片来自网络)

 

APS光束线分布示意图(图片来自网络)

  相比其它扫描方法,同步光源的X射线衍射技术能使研究人员看到物体内部更精细的结构,揭示物质的组成以及密度和形状等特征而不改变被照射物质的物理特性。曾有考古学家使用过X射线先进光源进行研究,但从未用于木乃伊遗骸。

  这具木乃伊运抵阿贡国家实验室,研究团队将高亮度的X射线光束(直径约为人类头发丝直径的两倍)照射在木乃伊CT扫描时发现的高密度区域,实验进行了十多个小时。扫描获得的X射线衍射图显示出衍射光束的角度及相对强度,可揭示物质的结构信息,可以像辨认“指纹”一样分辨出它是什么物质。

 

西北大学的斯托克(左)和芝加哥艺术学院的萨比诺讨论实验(图片来自美联社)

 

阿贡国家实验室的X射线学家乔纳森·阿尔默(Jonathan Almer)(右)与芝加哥艺术学院的萨比诺讨论实验(图片来自美联社)

 

阿尔默(左)与斯托克(右)在实验中(图片来自美联社)

 

斯托克(左)与阿尔默(右)讨论实验方案(图片来自美联社)

 

实验准备中 (图片来自美联社)

 

实验进行中(图片来自美联社)

 

实验进行中(图片来自芝加哥论坛报)

  这是世界上首次对人类木乃伊进行这类研究,实验获得了比传统的CT扫描更多的大量有价值的信息,研究团队需要对这些测量数据进行深入的研究。初步得出的结果有以下几个方面:

  头骨内部的碎片没有显示任何结晶度的证据,倾向于认为是大脑内组织被掏空后防腐处理时使用的树脂,而不是具有晶体结构的物质。

  牙齿上嵌有的金属丝属于什么性质还需研究。

  腹部上方的圆形物体由高纯度方解石组成,此种材料柔软且容易雕刻,该物品可能是一种雕刻的护身符,属于常见的墓葬陪葬品。

  头部与脚部缠绕的一些金属丝是现代的双相钢,类似于昆虫学中用于标本销的材料。它们不应是文物,很可能是1911年发掘的时候为固定木乃伊包裹钉进去的。

  斯托克最感兴趣的是这具木乃伊呈现的骨骼图像。他说:“木乃伊包裹的是一名5岁儿童,从医学的角度,我们对她的骨骼质量非常感兴趣,想知道这些骨骼随着时间的流逝是否有变化。据此可建立古代人骨骼与现代人骨骼的对比数据库。”

  法尤姆肖像是人脸部栩栩如生的描绘,但研究团队对肖像究竟代表了什么还存有疑问。这具5岁木乃伊女孩伴随的肖像看起来并不像5岁的孩子,而似乎是一个大女孩或年轻妇女。沃尔顿和特普斯特拉提出了一个解释的理论:这可能是对她母亲或姑妈的描绘,也可能是随机挑选的一幅画,或者是代表家庭成员所想象的女孩长大后的模样。

  新的启示

  师生们对西北大学新开设的跨学科课程均给予了高度评价。随着技术的进步,越来越多的科学领域开始交织在一起。新的技术设备为研究人员提供了更多的机会。通过团队中多个专业研究领域研究人员的合作,获得了具有重大意义的、有实质性推进的发现。

  完整的法尤姆肖像木乃伊极其罕见,这具完整的肖像木乃伊对教学和展览都有新的启示。

  该研究项目的首席科学家沃尔顿教授认为:“这项研究最初的目的是探讨能否以及如何利用物理科学来揭示木乃伊背后的艺术和技术。对我们的本科生和我本人来说都是一生中难得的一次机会,使我们有可能去更多地了解这具法尤姆肖像木乃伊女孩的背景故事。现代强大的检测及分析技术使我们能够以非破坏性的方式完成100多年前考古学科学家所无法做到的事情,并重新审视100多年前的那次木乃伊挖掘。在APS进行的实验所获得的信息帮助我们更多地了解古罗马时期埃及的历史背景。”对这具法尤姆肖像木乃伊的跨学科研究将艺术、科学和世界历史联系在了一起。

  参加跨学科课程的师生们结合古典、艺术史、材料科学、医学、考古学、艺术史和分子生物学的专业知识,大大发挥了自己的想象力。

  实验完成之后这具5岁女孩的法尤姆肖像木乃伊如期在街区举办的展览上展示。展览的参观者还可通过数字窗口看到这具木乃伊的内部结构。这个交互式可视化功能是由大四的学生在教授与博士生指导下开发出来的。

  展览结束后,这具木乃伊回到了加勒特福音神学院图书馆,并采用了新安装的保护措施。

 

学生们开发的交互式可视化功能 (图片来自西北大学)

  该项研究引起了相关领域研究人员的关注,2018年,Listverse网站将“用粒子加速器窥视木乃伊”列为揭示科学奥秘的十项惊人新技术之一,多家媒体对此项研究做了报道。将于2019年8月13-15日召开的第12届“X射线断层摄影技术的发展”会议特邀斯托克教授作题为“Insitu position-resolved x-ray diffraction of an intact Roman-era Egyptian mummyguided by computed tomography”的报告。

 

Listverse网站的介绍(图片来自网络)

 

美国西北医学杂志的相关介绍(图片来自网络)

 

第12届“X射线断层摄影技术的发展”会议议程(图片来自网络)

  这是有史以来第一次用高能粒子加速器观察木乃伊的内部,开创了一种完全无损的方法来检测完整木乃伊的内部,而不必进行实际的取样,任何其它技术目前还无法做到这一点。实验取得的成果如此丰盛,怪不得研究团队要感谢粒子加速器呢。

 

  【参考资料】

  1、10 Amazing NewTechniques Used To Reveal Scientific Mysteries

  http://listverse.com/2018/12/02/10-amazing-new-techniques-used-to-reveal-scientific-mysteries/

  2、ScientistsStudied Ancient Egyptian Mummy UsingParticle Accelerator

  https://www.valuewalk.com/2017/11/ancient-egyptian-mummy-particle-accelerator/

  3、New X-RayTechnology Used to Uncover ‘Rare' Mummy's Secrets in 3D

  https://sputniknews.com/viral/201712061059758570-rare-mummy-3d-scan/

  4、“Paint the EyesSofter: Mummy Portraits from Roman Egypt”Preview – A Remarkable Opportunity

  http://www.hawaii-splash.com/index.php/2017/12/22/paint-the-eyes-softer-mummy-portraits-from-roman-egypt-preview-a-remarkable-opportunity/

  5、Scientists UseParticle Accelerator To Look Inside Ancient Mummy

  https://www.valuewalk.com/2017/11/particle-accelerator-ancient-mummy/

  6、Scientists get inside view of a mummy usingparticle accelerator

  https://www.usatoday.com/videos/news/2017/11/30/scientists-get-inside-view-mummy-using-particle-accelerator/108164972/

  7、Thanks to a particle accelerator, we can seeinside this ancient mummy

  https://www.pbs.org/newshour/science/particle-accelerator-enlisted-to-uncover-mummys-secrets

  8、ParticleAccelerator Reveals Mummy's Secrets Without Disturbing What's Inside

  https://www.newsmax.com/thewire/particle-accelerator-reveals-mummy-secrets/2017/12/01/id/829268/

  9、ParticleAccelerator Reveals Objects Buried With An Ancient Egyptian Mummy

  https://www.techtimes.com/articles/216400/20171130/particle-accelerator-reveals-objects-buried-with-an-ancient-egyptian-mummy.htm

  10、ParticleAccelerator Reveals Secrets of Ancient Mummy

  https://www.msn.com/en-in/news/techandscience/particle-accelerator-reveals-secrets-of-ancient-mummy/ar-BBFZjWC?li=AAgges1

  11、ResearchersUnraveling Mummy Mysteries with Powerful APS X-rays

  https://www.aps.anl.gov/APS-Science-Highlight/2017-11-28/researchers-unraveling-mummy-mysteries-with-powerful-aps-x-rays

  12、Modern techunravels mysteries of Egyptian mummy portraits

  https://www.sciencenews.org/article/modern-tech-unravels-mysteries-egyptian-mummy-portraits?tgt=nr

  13、New Findings Tell Story of Mysterious1,900-Year-Old Portrait Mummy

  https://seenews.net/science-amp-health/new-findings-tell-story-of-mysterious-1-900-year-old-portrait-mummy-photo.html

  14、NorthwesternExplores Mummy’s Secrets With Particle Accelerator

  https://news.feinberg.northwestern.edu/2017/11/northwestern-explores-mummys-secrets-with-particle-accelerator/

  15、First-of-its-kindmummy study reveals clues to girl’s story

  https://news.northwestern.edu/stories/2017/november/mummy-portrait-research-roman-egyptian/

  16、The StybergLibrary’s Hibbard Mummy to be on Display at the Block Museum of Art

  https://www.garrett.edu/news/styberg-library%e2%80%99s-hibbard-mummy-be-display-block-museum-art

  17、Researchersunraveling mummy mysteries with help from powerful Argonne X-ray

  https://www.chicagotribune.com/news/local/breaking/ct-met-northwestern-mummy-argonne-20171122-story.html

  18、Mummy of ayoung girl with portrait painting of her, Egyptian, c. 80 BC.

  https://www.reddit.com/r/Mummies/comments/9iq1ni/mummy_of_a_young_girl_with_portrait_painting_of/

  19、In situposition-resolved x-ray diffraction of an intact Roman-era Egyptian mummyguided by computed tomography (InvitedPaper)

  https://spie.org/OPO/conferencedetails/x-ray-tomography?SSO=1#

  20、Researchers useadvanced technology to study child mummy

  https://phys.org/news/2017-11-advanced-technology-child-mummy.html

  21、A system forhigh-resolution X-ray phase-contrast imaging and tomography of biologicalspecimens

  https://www.researchgate.net/publication/252958745_A_system_for_high-resolution_X-ray_phase-contrast_imaging_and_tomography_of_biological_specimens

  22、NorthwesternEngineering partners with the Block Museum to inspire a new generation ofindependent thinkers

  https://www.mccormick.northwestern.edu/magazine/spring.../pdf/art-engineering.pdf

  23、Northwestern Medicine Magazine

  https://magazine.nm.org/wp-content/uploads/sites/23/2018/03/NM-Mag-Winter18-V2.pdf

  24、美国阿贡国家实验室

  http://lssf.cas.cn/lssf/kpyd/zsk/kyjd/201103/t20110316_4513351.html


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