לגלות את הסודות הטמונים באדמה: פיתוח ישראלי חדש עשוי לשנות את פני הארכיאולוגיה

פריצת דרך טכנולוגית באוניברסיטת תל אביב מציעה מהפכה בעולם הארכיאולוגיה: מדובר במחקר שמראה כי ייתכן ויהיה אפשר לזהות חללים תת-קרקעיים על ידי שימוש בחלקיקים אנרגטיים-קוסמיים שמגיעים לכדור הארץ מהחלל. למעשה, נמצאה הוכחת היתכנות ראשונה לאיתור חללים תת-קרקעיים בעזרת גלאים של קרינה קוסמית - מיואונים - שנוצרים כאשר הקרינה הקוסמית פוגעת באטמוספרה של כדור הארץ. 

החוקרים מסבירים כי מדובר בחלקיקים כבדים פי 207 מאלקטרונים שנעים במהירות הקרובה למהירות האור. אולם, כשהם חודרים את הקרקע הם מאבדים את האנרגיה שלהם ונעצרים. תהליך ההתפרקות הזה משתנה כשהחלקיק פוגע בסוגים שונים של קרקע. כמו באזור שיש בו חלל תת-קרקעי נסתר. לכן שימוש בחלקיקים האלו, נושא שנבדק במחקר הנוכחי, יכול לשמש ארכיאולוגים למיפוי חללים סמויים כגון מנהרות ותעלות. במסגרת המחקר, צוות החוקרים הדגים את יעילות הטכנולוגיה באתר הארכיאולוגי עיר דוד בירושלים והראה כיצד המערכת הצליחה למפות חללים תת-קרקעיים דרך שינויים בחדירות הקרקע לחלקיקי הקרינה הקוסמית. 

המחקר נערך בהובלת פרופ' ארז עציון מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' עודד ליפשיץ מהחוג לארכאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום באוניברסיטת תל אביב. כמו כן, השתתפו במחקר, פרופ' יובל גדות מהחוג לארכאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום באוניברסיטת תל אביב, פרופ׳ יאן בן חמו, ד״ר איגור זולקין והדוקטורנט גלעד מזרחי, מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, ד"ר יפתח סילבר וד"ר אמיר וייסביין מרפאל וד"ר יפתח שליו מרשות העתיקות.

תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת Journal of Applied Physics.

"לאתר את תת-הקרקע מראש"

"מהפירמידות במצרים, דרך ערי המאיה בדרום אמריקה וכלה באתרים העתיקים בישראל, ארכיאולוגים מתקשים למצוא חללים תת-קרקעיים", מספר פרופ' ליפשיץ. "את המבנים מעל הקרקע הארכיאולוגיה חופרת בקלות יחסית, ויש גם שיטות שונות לאתר קירות ומבנים מתחת לפני השטח. אבל אין שיטות טובות לעריכת סקרים מקיפים של חללים תת-קרקעיים שנמצאים מתחת לסלע. בשפלה' למשל, מתחת לשכבת סלע הגיר הקשה, נמצא הגיר הרך, כך שמי שחוצב וחודר את הסלע הקשה מלמעלה או נכנס מתחתיו מהצד, יכול בקלות לייצר חללים גדולים מאוד לאגירת מים, לשימושים חקלאיים שונים, לאיחסון וגם למגורים".

"ברור לנו שמרבית האתרים הארכיאולוגיים שעל פני השטח אינם אלא גבינה שוייצרית מתחת לפני הסלע - אלא שלנו אין דרך לדעת מזה. אם במקרה חפרנו מעל הקרקע, הגענו לסלע וזיהינו כניסה לחלל, אנחנו יכולים לחפור אותו. אבל אין לנו דרך לאתר את תת-הקרקע מראש. במחקר הנוכחי אנחנו מציעים בפעם הראשונה שיטה חדשנית שהוכחה כיעילה מאוד באיתור חללים תת-קרקעיים", מוסיף ליפשיץ.

"מטר המיואונים שפוגע בקרקע עושה זאת בקצב קבוע וידוע", מסביר פרופ' עציון. "במעבר, הם מאבדים אנרגיה בקצב איטי ולכן חלקם חודרים עמוק לתוך הקרקע. האנרגטיים שבהם יכולים לחדור אפילו לעומק של מאה מטרים. לכן, אם נציב גלאי מיואונים מתחת לקרקע ונמדוד את הסביבה, נוכל לזהות חללים ריקים בהם איבוד האנרגיה זניח".

"אבן דרך ראשונה"

החוקרים ערכו הדגמה מרשימה במתקן חצוב בסלע, המכונה "בור ירמיהו" באתר הארכיאולוגי עיר דוד. במסגרת ההדגמה, החוקרים שילבו סריקת LiDAR ברזולוציה גבוהה של חלל הפנים עם סימולציות של שטף המיואונים וכך הצליחו למפות אנומליות מבניות.

המערכת זיהתה בהצלחה שינויים בחדירות הקרקע למיואונים, ובכך הדגימה את היתכנות השימוש בטומוגרפיית המיואונים לצורך דימות ארכיאולוגי.

"המאמר הזה הוא אבן דרך ראשונה", אומר פרופ' ליפשיץ. "אנחנו רוצים שהצורך הארכיאולוגי ידחוף את הפיזיקאים לייצור גלאים קטנים, פשוטים, זולים, עמידים ומדויקים יותר, שגם צורכים פחות חשמל. השלב הבא יהיה לשלב את הפיזיקה והארכיאולוגיה עם בינה מלאכותית, שתדע לקחת את נתוני העתק שהגלאים ייצרו כדי לייצר תמונה תלת-ממדית של התת-קרקע. אתר המבחן שלנו יהיה תל עזקה שבמרכז השפלה, מעל לעמק האלה".

"לא מדובר בהמצאה שלנו", מוסיף פרופ' עציון. "עוד בשנות השישים השתמשו במיואונים כדי לחפש חדרים נסתרים בפירמידות במצרים, ולאחרונה התעורר התחום מחדש. החדשנות שלנו בכך שפיתחנו גלאים קטנים וניידים ולמדנו להפעיל אותם באתרים ארכיאולוגיים. הלא בכל זאת יש הבדל בין גלאי בתנאי מעבדה לגלאי שצריך להכניס אותו למערה או לחפירה כדי שימדוד את סביבתו - ואז צצות בעיות מעשיות של חשמל, של טמפרטורה, של לחות".