Comment l'imagerie neutronique révèle les secrets cachés des fossiles et des artefacts.

Crocodile brisé. Formellement Confractosuchus. Il a été découvert en Australie lorsqu'un bulldozer a dégagé un rocher en le brisant en morceaux. Les parties exposées de la roche brisée ont clairement montré la présence de fossiles à l'intérieur, mais il n'y avait aucun signe immédiat que cette découverte révélerait plus tard un instantané sans précédent de la vie de la période du Crétacé.

Le paléontologue Matt White de l'Université de New England à Armidale, en Australie, et ses collègues ont arrangé pour que la roche chargée de fossiles soit scannée avec une tomodensitométrie par rayons X. Comme un scanner CT médical, la méthode prend plusieurs images d'un objet qui peuvent être assemblées en une carte 3D de l'intérieur. L'équipe espérait utiliser les scans comme guides pour isoler les os individuels du fossile sans les enlever, puis manipuler les images 3D pour remettre virtuellement le crocodile brisé ensemble.

Mais une section du puzzle fossile leur a posé problème. La pierre riche en fer entourant les os rendait difficile l'obtention de bonnes images aux rayons X. Les chercheurs ont donc décidé d'essayer une autre approche.

Ils ont envoyé le morceau mystère au chimiste Joseph Bevitt du Centre australien pour la diffusion des neutrons à Sydney, qui se spécialise dans l'utilisation de particules neutroniques subatomiques pour imager les objets anciens. Outre les os de crocodile attendus, Bevitt a découvert un os ressemblant à un os de jambe de dinosaure. Il se trouvait dans la partie de la roche où se serait trouvée la cavité stomacale du crocodile.

"Quand j'ai vu le résultat neutronique et le petit fémur de dino, j'ai été secoué de surprise", dit Bevitt, "à la fois dans l'admiration et le doute de ce que nous avions vu."

Des années d'analyses ainsi que des scans supplémentaires aux rayons X et aux neutrons ont finalement confirmé que les restes d'une espèce de dinosaure auparavant inconnue, mordus en morceaux et marqués de traces de dents, se trouvaient dans l'estomac du crocodile. La découverte a valu au crocodile brisé la seconde moitié de son nom : sauroktonos, pour le tueur de lézard. White, Bevitt et leurs collègues ont publié leur découverte de la nouvelle espèce de crocodile identifiée et du dinosaure jamais vu à l'intérieur l'année dernière dans Gondwana Research (SN : 26/3/22, p. 5).

C'est une découverte stupéfiante : Confractosuchus sauroktonos, le crocodile brisé et tueur de lézards, et les restes de son dernier repas, sa victime dinosaure, figés dans la pierre il y a 100 millions d'années. C'est une scène qui n'aurait peut-être jamais été révélée si ce n'était pas pour la tomographie neutronique. Bien que les neutrons aient été utilisés pour l'imagerie dans des applications industrielles et militaires peu après leur découverte en 1932, ce n'est que ces dernières décennies que ces particules subatomiques ont commencé à offrir aux scientifiques des vues sans précédent à l'intérieur de fossiles et d'antiquités.

Il fut un temps où l'étude des fossiles et des artefacts signifiait souvent les endommager ou les détruire. Les restes momifiés étaient disséqués. Les conteneurs scellés étaient ouverts. Les fossiles étaient arrachés à la roche. Dans certains cas, les échantillons contenant des fossiles étaient broyés, couche par couche, pour créer des images de portions séquentielles en tranches qui révélaient les structures fossilisées à l'intérieur.

Heureusement, les rayons X offrent des aperçus non destructifs. En tant que forme de rayonnement électromagnétique ou de lumière à haute énergie, les rayons X interagissent avec les champs électriques et magnétiques associés aux particules chargées électriquement. Dans un cabinet médical, lorsqu'un technicien projette un faisceau de rayons X sur une jambe cassée, la lumière est dispersée ou absorbée par les champs des électrons autour des atomes de la jambe. Plus un matériau est dense, plus il contient d'électrons, et moins les rayons X peuvent le traverser efficacement. C'est pourquoi les parties de densité plus élevée du corps - comme les os - ressortent davantage dans les images aux rayons X que les parties de densité plus faible. La peau, les muscles et les autres tissus mous sont essentiellement invisibles car les rayons X les traversent facilement.

Les rayons X ont permis de voir les intérieurs cachés des artefacts depuis que le rayonnement a été découvert en 1895. Mais après que la tomodensitométrie aux rayons X intensifs sur le plan informatique ait été développée dans les années 1970, elle est devenue l'approche standard pour étudier les objets en paléontologie et en archéologie (SN : 18/12/21 & 01/01/22, p. 44). La tomodensitométrie aux rayons X est maintenant l'alternative moderne au broyage auquel les scientifiques du XIXe siècle ont souvent recouru. Des exemples récents comprennent des scans d'animaux momifiés de l'ancienne Égypte (SN : 12/09/20, p. 17) ; des inscriptions nouvellement découvertes sur le mécanisme d'Anticythère vieux de 2000 ans, une calculatrice astronomique grecque antique utilisée pour prédire les éclipses et autres événements célestes (SN : 02/12/06, p. 357) ; et une étude de la cavité cérébrale dans un crâne de singe vieux de 20 millions d'années (SN : 14/09/19, p. 11). De nombreux grands musées et institutions de recherche possèdent leurs propres scanners tomodensitométriques aux rayons X qui sont essentiellement les mêmes systèmes utilisés par les médecins.

Pour tout ce que l'imagerie par rayons X a révélé sur le passé, elle présente néanmoins quelques inconvénients. Les rayons X ne peuvent pas pénétrer un matériau particulièrement dense, comme le plomb ou des épaisseurs épaisses d'autres métaux, pour voir un objet caché à l'intérieur. D'autre part, un objet composé de matériau de faible densité, comme les tissus mous, sera invisible aux rayons X.

Les neutrons peuvent compléter l'image.

Les neutrons, comme leur nom l'indique, sont neutres. Ces particules subatomiques n'ont pas de charge électrique, de sorte que les faisceaux de neutrons ne remarquent pas les électrons en orbite autour des atomes. Au lieu de cela, les neutrons passent directement à côté des électrons et frappent les noyaux remplis de protons et de neutrons au centre des atomes. Les neutrons entrants peuvent rebondir sur le noyau d'un atome ou être absorbés dans l'atome. Les interactions sont plus complexes qu'avec les rayons X et dépendent de la vitesse à laquelle les neutrons se déplacent et des interactions quantiques complexes.

Les neutrons adaptés à la tomographie sont produits avec des accélérateurs de particules comparativement massifs ou en tant que sous-produits de réacteurs nucléaires. Les neutrons se déplacent relativement lentement, avec des énergies un cent-millionième de celles des rayons X dans les scanners CT. Ces neutrons lents interagissent fortement avec certains matériaux de faible densité que les rayons X traversent facilement, y compris le lithium, le bore et l'hydrogène.

"L'eau pour les neutrons est comme le plomb pour les rayons X "à cause des atomes d'hydrogène, dit Bevitt. Trop de matériau riche en hydrogène peut masquer des détails des faisceaux de neutrons. Mais de la même manière qu'une articulation de hanche en métal se distingue dans une radiographie médicale, l'hydrogène peut également rendre certaines caractéristiques visibles dans les images neutroniques. En revanche, le plomb, le fer et le cuivre sont essentiellement transparents aux neutrons de faible énergie.

Le physicien Jacob LaManna de l'Institut national des normes et de la technologie à Gaithersburg, dans le Maryland, aime démontrer les capacités comparatives de l'imagerie par neutrons et rayons X avec une "nature morte" CT de lis asiatiques nichés à l'intérieur d'un tonneau creux avec des parois épaisses en plomb. "Les neutrons peuvent traverser directement le plomb, et ensuite vous pouvez voir pratiquement toute l'eau [dans la] structure vasculaire des fleurs", dit LaManna. Une radiographie montrerait seulement la surface opaque du tonneau.

La capacité à pénétrer des matériaux denses qui bloquent les rayons X a fait de l'imagerie par neutrons une technologie importante pour les essais industriels d'automobiles et d'avions. Les particules peuvent révéler l'écoulement d'huile riche en hydrogène à l'intérieur des blocs moteurs ou mettre en évidence des défauts dans les pièces moulées en métal. Depuis les années 1970, les laboratoires nationaux américains se sont appuyés sur l'imagerie par neutrons pour développer et maintenir les stocks d'armes nucléaires de la nation ; les neutrons sont des outils puissants de contrôle qualité pour cartographier l'intérieur des pièces de bombe denses et pour étudier les explosifs de fusion riches en hydrogène à l'intérieur des composants de la tête de guerre.

À NIST, LaManna dirige les installations de tomographie neutronique et de rayons X, ou NeXT, qui peuvent exécuter simultanément une imagerie par rayons X et neutronique. Les vues doubles fournissent des informations distinctes mais complémentaires sur les choses contenant des combinaisons de matériaux - comme les piles à combustible à hydrogène, les matériaux de construction et les échantillons de sol - qui seraient difficiles à étudier avec une seule approche d'imagerie ou l'autre.

Au cours des deux dernières décennies, à mesure que la nouvelle s'est répandue sur les capacités, un nombre croissant de paléontologues, d'archéologues et d'anthropologues ont ajouté l'imagerie par neutrons à leurs boîtes à outils analytiques. Malgré la présence de l'imagerie par neutrons depuis un certain temps, "nous sommes vraiment les nouveaux venus", dit Bevitt.

En plus de révéler plusieurs os de dinosaures dans le ventre d'un crocodile brisé, ainsi que le fémur qui a d'abord attiré l'attention de Bevitt, la tomographie par ordinateur à neutrons a permis aux chercheurs d'étudier l'emballage en tissu qui enveloppe les momies de chat sans les déballer, de trouver des signes de colles appliquées récemment maintenant ensemble des artefacts assemblés frauduleusement, et de découvrir le cœur de vertébré le plus ancien jamais trouvé, dans un poisson vieux de 380 millions d'années.

Le paléontologue James Clark place une paire de crânes de crocodile fossilisés sur la table de son laboratoire de sous-sol à l'Université George Washington à Washington, D.C. Les fossiles vieux de 165 millions d'années sont éclipsés par un crâne moderne d'alligator voisin. Alors que le crâne d'alligator mesure environ la longueur de mon avant-bras, les crânes de crocodile fossilisés ne sont que légèrement plus grands que le bout de mon pouce.

Les crânes fragiles, que Clark a collectés au Mexique il y a quatre décennies, sont incrustés dans des amas de sédiments durcis avec seulement quelques os et dents qui dépassent. À première vue, les spécimens ressemblent à des boules de gomme mâchées, mais composées de mudstone sableuse et riche en fer. "Si vous essayez de les radiographier, vous obtenez essentiellement... ces éclats lumineux de tout le fer", explique Clark. Le résultat est un flou et un traînage qui masquent les structures squelettiques.

Clark aurait pu engager des préparateurs pour enlever les sédiments entourant les os délicats. Mais c'est un processus lent et coûteux qui peut finir par endommager le spécimen, dit-il.

Ce n'est qu'en 2019 qu'il a enfin pu observer attentivement les os cachés. Après un séminaire où il a rencontré Bevitt, Clark a réalisé que la technique de balayage des neutrons pourrait être la solution. Cet événement a conduit à une présentation à LaManna et aux installations du NIST situées à 25 kilomètres de là, dans le Maryland.

Comme le dit LaManna, "l'ironie est essentiellement transparente aux neutrons, il est donc beaucoup plus facile d'isoler uniquement la partie fossile de l'objet". Les images des scans CT neutroniques du NIST ont révélé les détails complexes des petits os. "Vous pouvez ensuite commencer à reconstituer le puzzle numérique des fragments d'os pour essayer de reconstituer la créature en question".

Alors que la matière entourant un fossile ou un objet peut poser problème à la radiographie, parfois c'est l'objet lui-même qui pose problème. Les tissus, les fibres, le bois et d'autres matériaux de faible densité peuvent être difficiles à résoudre avec les rayons X, et les métaux à l'intérieur d'un objet peuvent bloquer d'autres caractéristiques à la vue. Ces deux défis sont monnaie courante pour les chercheurs étudiant des antiquités comme les hachettes-dagues de 3 000 ans que j'ai pu voir exposées dans la galerie d'art Freer du Smithsonian à Washington, D.C.

Ces armes cérémonielles de la dynastie Shang en Chine sont suspendues dans une vitrine en verre verticale, où je pouvais approcher mon nez à quelques centimètres des lames de jade et des poignées en bronze incrustées de turquoise. J'ai trouvé qu'il était préférable de me pencher de près pour apprécier les motifs bleu-vert complexes des pierres précieuses encastrées dans le métal.

L'art conservateur du Smithsonian, Ariel O'Connor, aimerait savoir comment les hachettes-dagues ont été assemblées. La tomographie par rayons X ne fonctionne pas sur la combinaison de pierre, de métal, de fibres et d'autres matériaux qui peuvent se trouver à l'intérieur. L'imagerie neutronique pourrait aider, mais elle comporte des risques. Les faisceaux de neutrons rendent les choses radioactives. Il n'est pas toujours clair à l'avance à quel point un échantillon sera radioactif, mais les matériaux dépassent souvent le niveau de radioactivité sûr pour les êtres humains, même pour les manipuler, ou même pour les voir dans un musée, pendant des jours voire des semaines après exposition aux faisceaux de neutrons.

"Nous pourrions effectivement faire des calculs et déterminer quel sera l'élément problématique et combien de temps il restera radioactif,"explique LaManna. "Mais, dans le cas du jade, où il s'agit essentiellement d'un matériau extrait du sol, il peut contenir toutes sortes de choses auxquelles on ne s'attendrait pas forcément." Cela rend la radioactivité résiduelle difficile à prédire.

Alors, O'Connor a décidé de faire un test. Elle et ses collègues ont fabriqué une réplique grossière d'une ancienne hachette-dague. Ils ont utilisé du jade du Wyoming à la place du jade chinois ancien, des piles de laiton provenant d'un paillasson de porte récupéré pour simuler la poignée en bronze, et un fil de soie similaire à celui qui maintient ensemble certaines hachettes-dagues de la dynastie Shang. Ensuite, LaManna a scanné la hachette avec des rayons X et des neutrons au NIST.

Comme prévu, le laiton était complètement opaque aux rayons X, cachant les caractéristiques de la construction de la réplique. Mais le faisceau de neutrons a révélé des détails clés, y compris une vue du jade inséré à l'intérieur de la poignée en laiton et même des fils de soie individuels.

Pour tester comment l'imagerie des neutrons pourrait fonctionner sur une hachette-dague, les chercheurs ont confectionné une réplique en jade, des piles de plaques de laiton et un fil de soie. Dans une radiographie de la réplique (ci-dessus), la tige est cachée par le laiton, donc l'équipe a utilisé le balayage neutronique pour imager la partie encadrée en jaune. Cette imagerie (ci-dessous) a révélé des détails invisibles dans les scans par rayons X.

Quant à la radioactivité résiduelle, la réplique ne présentait aucune signification neuf jours plus tard. En général, dit Bevitt, la radioactivité résiduelle diminue rapidement. Un fossile qu'il a étudié est resté radioactif pendant trois mois en raison de la présence de radium, mais la plupart des échantillons peuvent être renvoyés aux laboratoires et aux musées en quelques semaines seulement, en toute sécurité.

Cependant, avec cette incertitude et les questions sur la similarité chimique entre la réplique et les véritables hachettes-dagues, O'Connor n'est pas encore prête à risquer de scanner les artefacts.

“En tant que conservatrice, je suis responsable de la préservation et de la sécurité de ces objets remarquables vieux de 3 000 ans pour m'assurer qu'ils restent accessibles aux générations futures. Si une technique analytique telle que l'imagerie neutronique pourrait répondre à nos questions de recherche mais altérerait les objets et les rendrait inaccessibles" en raison de la radioactivité induite, déclare O'Connor, "nous chercherons d'autres options."

Malgré la popularité croissante de la tomographie par neutrons pour l'étude des fossiles et des antiquités, la tomographie par rayons X reste le choix privilégié des chercheurs. Dans les années 1990, quelques dizaines d'articles scientifiques sur l'utilisation des neutrons pour l'étude du passé étaient publiés chaque année; récemment, ce chiffre est passé à des centaines par an. Les publications liées à l'imagerie des fossiles et des artefacts par tomographie par rayons X se chiffrent en milliers chaque année.

Most of the time, X-rays suffice, and the advantages are clear. They offer high resolution to uncover small details with no lingering radioactivity. X-ray CT machines are also widely available because they’ve been used in medical settings for over 50 years, and they’re small enough to fit in most labs and museum research spaces.

At the moment, there are only a few dozen neutron tomography facilities on the planet. The particle accelerators and nuclear reactors that produce suitable neutrons are large, expensive and heavily regulated. Only a handful of the facilities worldwide are available to analyze fossils and antiquities, according to Burkhard Schillinger, a physicist at the Technical University Munich who runs the neutron imaging beamline there. He ticks off a few facilities in the United States, a half dozen in Europe and one in Australia.

Still, LaManna says the lack of access doesn’t seem to be the bottleneck in widespread adoption of the technique. Along with the concerns over lingering radioactivity, the novelty of the technology and general lack of awareness may stand in the way.

“I try to recruit as broad a range of users as I can” to submit fossils and antiquities for imaging at NIST, LaManna says. “It’s not like they’re getting pushed out of the way” to make space for more conventional neutron studies. “It’s just more of getting the correct people interested to then write proposals, come to us [and] work with us to get beam time.”

In the last decade, Australia-based Bevitt has spread the word on neutron tomography through lectures and outreach around the world. Most of the experts contacted for this story trace their initial interest in neutron imaging to Bevitt’s influence. Many researchers in his home country have already embraced the technology.

“Basically, in Australia, when a new dinosaur is discovered,” Bevitt says, “the first thing that happens is it comes to our lab.”

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