Radioscopie pour paléontologues et archéologues

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Deux instruments de recherche au PSI permettent de scruter l’intérieur de fossiles et d’objets qui datent parfois de centaines, voire de millions d’années. Entretien avec Federica Marone et Eberhard Lehmann, dont les méthodes ouvrent de nouvelles perspectives sur le passé.
Federica Marone, Eberhard Lehmann, paléontologues et archéologues vous sollicitent régulièrement pour scruter l’intérieur de fossiles et d’objets antiques au moyen de vos méthodes d’analyse non destructives. Comment ont-ils appris que leurs questions pouvaient trouver une réponse au PSI?
Federica Marone: Dans le cas de notre groupe de travail à la Source de Lumière Suisse (SLS), cette collaboration a démarré il y a plus de dix ans. Mon collègue Marco Stampanoni a repéré un article qui présentait des embryons fossiles d’un organisme annelé. Les chercheurs avaient analysé ces fossiles uniquement du point de vue de leur structure externe. Or à notre poste de mesure, ils auraient aussi pu scruter l’intérieur de ces petites billes d’un millimètre environ. Marco Stampanoni a donc contacté ces gens et les a invités: ils ne connaissaient rien ni au rayonnement synchrotron, ni à la tomographie. Mais grâce à nous, ils ont constaté que cela leur permettrait d’obtenir des informations complètement nouvelles. Une fois que les premiers travaux ont été publiés, d’autres paléontologues nous ont contactés.
Eberhard Lehmann: Les choses se sont déroulées de manière similaire chez nous: au départ, aucun historien ne soupçonnait ce dont notre méthode est capable, mais une fois que les premiers exemples ont été publiés, l’information s’est mise à circuler. Nos premiers clients sont venus du Vindonissa-Museum à Brugg, situé donc à quelques kilomètres à peine du PSI. Ils nous ont apporté dans les années 1990 un glaive romain qui venait d’être découvert. Nous l’avons analysé et réalisé que le fourreau en bois était encore conservé. Evidemment, il avait subi une telle corrosion avec la lame qu’on ne pouvait plus le voir à l’oeil nu, mais grâce aux neutrons nous avons réussi à rendre le grain du bois bien visible.

Côté droit: Radioscopie neutronique en noir et blanc qui révèle surtout les éléments végétaux que renferme la moitié inférieure de la cavité. La structure rectiligne en pointe vers le haut qu’on aperçoit par ailleurs est en bois et symbolise l’arbre de vie.
Milieu et côté gauche: Deux autres images de la même statue; reconstructions numériques en 3D avec coupe virtuelle.


Qu’est-ce que les méthodes de mesure appliquées au PSI permettent encore de découvrir sur les objets antiques et des échantillons paléontologiques?
Federica Marone: La tomographie à rayons X permet d’analyser l’intérieur des objets et des matériaux sans les détruire. C’est un aspect très important pour les archéologues et les paléontologues, car très souvent, il s’agit d’objets tout à fait uniques. Mais parfois, ce n’est pas possible de faire autrement et les paléontologues doivent scier leurs fossiles. Dans ce cas, ils commencent par nous les amener. Notre imagerie les aide à décider lequel ils scieront et où exactement, afin d’éviter autant que possible de l’endommager.
D’un autre côté, rien qu’en scrutant nos images, ces chercheurs peuvent déjà apprendre une incroyable quantités de choses sur l’évolution des végétaux et des animaux. Nous avons mené par exemple des examens sur des mâchoires osseuses fossilisées de certaines espèces de poissons préhistoriques et on arrivait à voir très précisément les tissus, les cellules et toutes les lignes de croissance. Cela a permis à nos partenaires de recherche de tirer certaines conclusions sur le développement de la mâchoire au cours de l’évolution et d’établir que les dents étaient apparues en même temps que la mâchoire ou peu de temps après, il y a plusieurs centaines de millions d’années.
Eberhard Lehmann: La tomographie à rayons X a son pool de partenaires. Le nôtre, à l’analyse de faisceaux de neutrons, est un peu différent: nous avons nettement plus d’historiens que de paléontologues. C’est dû à la méthode: alors que la tomographie à rayons X se focalise plutôt sur les structures microscopiques et peut aller très en détail, nous travaillons à une échelle plus grossière. Et les matériaux que les neutrons permettent de rendre transparents sont très différents de ceux que les rayons X permettent d’examiner.

La lumière de type rayons X et les faisceaux de neutrons à trajectoire rectiligne peuvent radiographier des objets, ce qui permet de visualiser l’intérieur de ces derniers sans les détruire. Comme lors des radiographies médicales, on obtient comme image une espèce d’ombre de l’objet. Suivant le matériau et le type de questionnement, ce sont soit les rayons X, soit les faisceaux de neutrons qui sont les mieux indiqués. Une différence essentielle réside dans le fait que les neutrons permettent de visualiser ce qui se cache derrière le métal, alors que le métal bloque en grande partie les rayons X.
En plus des images radioscopiques, les deux méthodes d’irradiation permettent une reconstruction virtuelle en 3D de l’objet. Pour ce faire, on le radiographie de manière répétée de différentes directions; toutes ces données recueillies sont ensuite réunies à l’ordinateur pour composer ce qu’on appelle un tomogramme.
Un rayonnement X extrêmement intense, qui permet d’obtenir des images en haute résolution, est à disposition à la Source de Lumière Suisse (SLS) au PSI. La source de neutrons à spallation SINQ permet une imagerie pour l’instant relativement rare avec des neutrons.


Quelle est la plus grande surprise que vous ayez vécue pendant votre travail avec des objets historiques?
Eberhard Lehmann: Très certainement l’analyse de statues bouddhistes. Comme elles sont en métal, on ne peut pas les radiographier aux rayons X. Mais avec les neutrons, on s’aperçoit que la statue est creuse à l’intérieur et recèle du bois, du textile, ou encore du matériau végétal, par exemple des fleurs. C’est un travail que nous menons en collaboration avec Michael Henss, un expert dans ce domaine. C’est avec lui que nous avons examinées beaucoup de ces Bouddhas et j’ai vécu un véritable déclic en découvrant tout ce qu’il pouvait y avoir à l’intérieur. Cela a évidemment éveillé notre curiosité et nous avons continué à en inspecter d’autres. Entre-temps, nous avons analysé plus de 60 statues de ce genre. Certaines d’entre elles abritaient des parchemins, d’autres des pierres précieuses, autrement dit les objets les plus divers.
Federica Marone: Une découverte surprenante qui s’est produite chez nous récemment, c’est que les champignons existent depuis bien plus longtemps que ce qu’on avait imaginé jusqu’ici. On pensait qu’ils existaient depuis 400 millions d’années. Mais nos partenaires viennent de découvrir des traces de champignons dans des couches de roche qui pourraient dater de 2,4 milliards d’années. Les champignons ont poussé dans les fissures et les vésicules à l’intérieur de la roche. Leurs filaments ramifiés et enchevêtrés sont conservés dans les fissures sous forme de fossiles. Les paléontologues les comparent aux champignons d’aujourd’hui et peuvent ainsi procéder à une classification biologique.
Eberhard Lehmann: est-ce qu’on identifie l’âge en fonction de celui des roches d’où provient l‘échantillon’
Federica Marone: Exactement. La couche rocheuse a été datée par datation radiométrique, autrement dit sur la base du plomb et de l’uranium qu’elle contient naturellement. Je suis toujours fascinée par les connaissances des paléontologues. Ils connaissent les roches aussi parfaitement qu’ils connaissent la biologie et l’évolution et mettent tout cela en relation.
Eberhard Lehmann: C’est vrai qu’avec ce travail, on rencontre des gens vraiment très intéressants. Quand des personnes ont atteint un tel niveau d’instruction, elles sont vraiment à part. Inversément, ces gens nous trouvent certainement aussi un peu excentriques!
Quand on pénètre dans les halls d’analyse neutronique et de tomographie à rayons X, tout est très grand et très technique. Cela doit être plutôt inhabituel pour les partenaires de coopération, n‘est-ce pas’
Federica Marone: Oui, c’est vrai. Nous essayons toujours de tout aménager aussi simplement que possible, de manière à ce nos partenaires externes s’y retrouvent quand ils sont chez nous.
Eberhard Lehmann: Les partenaires qui sont déjà venus nous voir plusieurs fois mènent déjà leurs propres analyses. Certains ont des projets entiers en cours, même des thèses de doctorat, et reviennent régulièrement. D’autres amènent juste un échantillon et c’est nous qui les examinons, parce que nous ne voulons pas que des gens complètement profanes au plan technique manipulent nos appareils.
Federica Marone: Chez nous, cela fonctionne la plupart du temps. Nous aidons les chercheurs externes surtout au début à identifier les bons paramètres et nous leur expliquons comment utiliser l’appareil.
Eberhard Lehmann: Certains de nos utilisateurs ne viennent qu’une fois avec un seul échantillon...
Federica Marone: Oh, chez nous, certains arrivent parfois avec une centaine d’échantillons d’un coup. Pour ma part, je n’y touche jamais, car ces fossiles très anciens sont uniques et certains appartiennent à des musées. Je ne voudrais pas être responsable s’il leur arrivait quelque chose. Chez nous, les chercheurs mettent eux-mêmes leurs échantillons en place.
Que faut-il faire pour trouver un langage commun avec une culture scientifique différente?
Eberhard Lehmann: Il faut apprendre l’un de l’autre. L’archéologue doit apprendre comment interpréter nos images tomographiques et nous, nous devons nous informer sur les matériaux et les méthodes qui ont existé à une époque donnée. Parfois aussi, nous réalisons que nous ne sommes absolument pas les bons interlocuteurs, par exemple lorsque l’objet est trop filigrane. Nous les adressons alors à la SLS. D’où l’extrême importance du dialogue au sein du PSI.
Federica Marone: Chez nous aussi, le dialogue fonctionne plutôt bien. Nos partenaires témoignent la plupart du temps d’un intérêt positif et aujourd’hui, nous savons aussi ce qui est réaliste et ce qui est impossible.
Dernière question: y a-t-il un résultat qui vous est resté particulièrement en mémoire?
Federica Marone: Là, c’est une histoire un peu spéciale. Quand ils mènent des analyses chez nous, les paléontologues découvrent sans arrêt de nouvelles espèces qu’ils peuvent alors baptiser. Et ils ont donné à une espèces végétale le nom de notre ligne de faisceaux: Tomcatia...
Eberhard Lehmann: Ils ne lui ont pas donné ton nom?
Federica Marone: Si, il y a une espèce qui porte mon nom, le Lignierispermum maroneae, et le Lobospermum stampanonii, qui porte le nom de mon collègue Marco Stampanoni. Ça a vraiment représenté quelque chose de très spécial pour nous.
Eberhard Lehmann: De manière générale, ce qui m’enthousiasme toujours, c’est la qualité de la collaboration avec les archéologues. Un exemple: récemment, les gens du Musée romain d’Avenches sont venus directement nous voir après de nouvelles fouilles lors desquelles ils avaient découvert des objets métalliques. Cela montre à quel point notre méthode s’est établie depuis le temps, et à quel point elle nous permet d’apporter une contribution dans le domaine de l’archéologie. 

Graine fossilisée analysée pour la première fois au PSI qui porte le nom de Federica Marone, chercheuse au PSI ayant participé à ces travaux.
La microtomographie à rayons X a permis de réaliser une reconstruction 3D détaillées de cette graine d’une longueur de 2 millimètres.
C’est cette reconstruction numérique qui est présentée ici, avec une coupe virtuelle dans la partie supérieure qui révèle l’intérieur de la graine.


Federica Marone est née en 1975 et a grandi au Tessin. Elle a fait des études en sciences de la Terre et son doctorat à l’ETH Zurich. Depuis 2006, elle est chercheuse aux lignes de faisceaux de la Source de Lumière Suisse (SLS) du PSI. Elle recourt régulièrement aux rayons X de la SLS pour analyser des échantillons paléontologiques, mais aussi des nouveaux matériaux d’accumulateurs et des piles à combustible avec des groupes de recherche externes.
Eberhard Lehmann est né en 1952 en Saxe, où il a fait ses études et son doctorat en physique. Il est arrivé en 1991 au PSI, où il a contribué au développement des techniques d’imagerie avec des neutrons à la source de neutrons à spallation SINQ du PSI. Il a également dirigé son propre groupe de recherche jusqu’à sa retraite en 2017. Aux postes de mesure de la SINQ, on radiographie aussi bien des objets antiques que des pièces automobiles, des racines de végétaux et bien d’autres choses encore.

5232 — Das Magazin des Paul Scherrer Instituts

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