Fysikernas starka ljus knäcker uroxens gåta

Under stenåldern fanns en stor men grund sjö i mitten av nuvarande Skåne. Kring den låg flera boplatser, och dessutom många små lägerplatser där människor arbetade och övernattade under kortare tid. Här finns numera Rönneholms mosse, som används för torvtäkt. Det var här arkeologen Arne Sjöström för några år sedan hittade ett 9 000 år gammalt revben från en uroxe, som visade sig bära på en intressant historia.

Arkeologerna upptäckte ett runt hål i revbenet och drog slutsatsen att det var spår efter ett vapen. De kunde också se att något satt inkilat inuti hålet – kanske en flisa av revbenet, eller något främmande föremål. Eller en del av själva jaktvapnet. I så fall skulle det vara ett sensationellt fynd, som skulle kunna ge ny kunskap om stenålderns jaktmetoder. Problemet var bara att den lilla flisan, några millimeter lång, satt fast inuti hålet. Den var omöjlig att plocka ut utan att skada själva benet.

Forskarna försökte göra en röntgenundersökning. Men det fungerade inte. Revbenet och flisan bestod av så pass likartade material att vanlig röntgen inte kunde ge någon kontrast. Det gick inte att urskilja något alls.

Men Björn Nilsson, som var projektledare för utgrävningen, gav inte upp. Sedan länge har han intresserat sig för nya verktyg för forskningen och hade därför förhoppningar om andra sätt att undersöka benet.

– Jag jobbar med hur våra humanistiska frågor ska kunna besvaras med nya tekniker. Då har jag läst på och försökt förespråka olika metoder.

Följaktligen tog han med sig uroxens revben till Trieste i Italien, där det finns en speciell ljuskälla som heter Elettra – en så kallad synkrotron (se infografik på nästa uppslag). Synkrotronljus kan få mycket speciella egenskaper, med specifika våglängder som passar för många olika typer av experiment. Precis som i en laser går det också att skapa en stråle där alla ljusvågor svänger i fas med varandra, så att vågtopp och vågdal hela tiden sammanfaller. Det kallas för att ljuset är koherent, en egenskap som gör det möjligt att urskilja olika strukturer av samma material. Precis den typ av egenskap som Björn Nilsson och hans kolleger var på jakt efter.

Vid Elettra finns ett särskilt projekt för att utnyttja synkrotronljus inom kulturarvsforskning, till exempel arkeologi. Det leds av fysikern Franco Zanini.

Forskargruppen gjorde först en förberedande undersökning av uroxens ben. Det skedde med en fokuserad röntgenstråle, som i likhet med ljuset från synkrotronen är koherent. Det är det som är själva knepet:

– Med en vanlig röntgenundersökning får vi en bild genom att utnyttja att olika material absorberar olika mycket av strålningen. Men med en koherent ljuskälla kan vi dessutom få information från fasändringar i ljuset, säger Franco Zanini.

Fasförändringarna uppstår när ljuset möter de olika benbitarnas gränsytor. Då förskjuts ljusvågens fas. De delar av ljuset som passerar flera gränsytor blir mer förskjutet, och på så sätt får forskarna en kontrast mellan delar av bilden, där ljuset har passerat genom båda benbitarna.

Experterna i Trieste utnyttjade faskontrasten för att få fram detaljer när de undersökte uroxens revben med mikrotomografi – en typ av skiktröntgen som kan skapa en tredimensionell bild av ett föremål och dess inre struktur.

Mikrotomografi med synkrotronljus kan urskilja ännu mindre detaljer.

– Vi kan få en upplösning på ungefär en mikrometer. Du kan jämföra det med tjockleken på ett mänskligt hårstrå, som är kring 50 mikrometer, säger Franco Zanini.

I just det här fallet räckte den preliminära undersökningen, som hade lite lägre upplösning. Den visade bland annat att den lilla benflisan är slipad. Det stod nu klart att det verkligen är den yttersta toppen av en pilspets som sitter där. Den här lilla benflisan ger en ny inblick i livet under mesolitikum, den period som i skolböckerna brukar kallas jägarstenåldern.

– Vi har aldrig tidigare haft några bevis för att man har använt benpilar för att jaga de stora djuren, säger utgrävningens projektledare Björn Nilsson.

Det finns sedan tidigare fynd av benpilar, och det finns fynd av både små och stora bytesdjur. Men det är inte lätt att pussla ihop hur själva jakten gick till. Det nya fyndet ger en detaljbild från en 9 000 år gammal jaktscen.

Men såret som pilen gjorde kan knappast ha varit en dödande skada – en liten benpil räcker inte för att fälla en stor uroxe. Trots det finns inga tecken på att benet hade börjat läka. Alltså måste djuret ha dött kort efter att ha träffats av benpilen. Antagligen jagade människorna i grupp och fällde bytesdjuret gemensamt. Men det skulle också kunna vara så att de använde särskilda knep, som att smörja in pilspetsen med gift. Finns det i så fall rester av stenålderskemi i uroxbenet, som kan avslöja ett möjligt gift – och vad skulle det i så fall kunna bestå av?

För att undersöka detta vände sig Björn Nilsson på nytt till Franco Zanini och hans kolleger vid Elettra, som kan hjälpa honom att utnyttja fler av det stora utbud av tekniker som erbjuds där.

– Så fort man har ett nytt verktyg så kan man upptäcka nya saker, säger Björn Nilsson.

Nästa steg blev att söka efter ämnen som inte verkar höra till benet. När ett föremål blir belyst med synkrotronljus kommer atomer av olika slag att fluorescera, det vill säga avge ett eget ljus av en bestämd våglängd, som avslöjar vilket grundämne det är fråga om. På så vis kan forskarna identifiera även väldigt små mängder av olika grundämnen i ett material.

Det första resultatet var lovande. I pilhålet fanns bland annat oväntade tungmetaller. Vad kunde det betyda? Var det spår av gift, eller något helt annat?

Undersökningen har nu följts upp med ännu en teknik, diffraktion, som kan visa strukturen hos olika kemiska föreningar. Den metoden är mycket svårare att utföra och att tolka. Men förhoppningsvis ska den ge nya ledtrådar till vad som hände på jaktplatsen för 9 000 år sedan. Analysen pågår fortfarande.

Svenskt synkrotronljus över kulturarvets gåtor

Arkeologen Björn Nilsson håller i en arbetsgrupp som ska hjälpa forskare inom arkeologi, geologi och olika former av kulturarvsstudier att dra nytta av synkrotronljusanläggningen Max IV i Lund. Han har länge haft ögonen på de möjligheter som avancerade tekniker kan ge.

– Jag kommer från det humanistiska hållet, verkligen. Men när jag höll på med min avhandling kom jag i kontakt med arkeologins systervetenskap geologi, och geologerna är bra på att snappa upp nya tekniker.

Redan när Max IV planerades togs initiativ från laboratoriets sida för att få med fler forskningsgrenar på tåget.

– Ganska tidigt försökte man få humanisterna intresserade. För kostnaden skulle bäras av hela universitetet, och då är det viktigt att alla kan dra nytta av projektet, säger Björn Nilsson.

Mötet mellan fysik och de mer kulturinriktade forskningsgrenarna känns kanske otippat, men det finns mängder av gåtor inom humaniora som har utforskats med synkrotronljus. Ett tidigt svenskt exempel är när kemisten Magnus Sandström – nu professor emeritus vid Stockholms universitet – för drygt 15 år sedan undersökte regalskeppet Vasa. Han tog med sig träprover till synkrotronanläggningar för att analysera förekomsten av olika svavel- och järnföreningar och kunde på så vis få mer kunskap om nedbrytande processer.

Ett av Björn Nilssons kommande projekt är att undersöka guldgubbar – tunna guldbleck med präglade figurer som har hittats på ett antal platser i Norden. Genom att analysera förekomsten av andra ämnen i guldet går det att få fram ett slags fingeravtryck, som ger ledtrådar om varifrån guldet kommer. Det skulle kunna säga något om hur handelskontakterna såg ut under järnåldern, när guldgubbarna tillverkades.

I väntan på att de rätta teknikerna ska bli tillgängliga vid Max IV gör Björn Nilsson sina undersökningar på andra platser, till exempel vid synkrotronen Elettra i Trieste dit han skickade ett ben från en uroxe (se artikeln intill).

Vid Elettra finns en grupp forskare som hjälper exempelvis arkeologer, paleontologer och konservatorer på museer att hitta en teknik som kan besvara deras frågor. Gruppen leds av Franco Zanini, som själv är fysiker men som länge har jobbat med breda tillämpningar. Han har bidragit till undersökningar av allt från Stradivariusfioler till ben från neandertalare. Nu har han ett nära samarbete med Björn Nilssons arbetsgrupp. Franco Zanini bjuder in skandinaviska forskare till Elettra, där de får berätta vad de skulle vilja ta reda på.

– Vi har många svar, men vi har inte frågorna, säger han.

Vid Elettra erbjuds ett helt knippe med olika undersökningsmetoder. Tanken är att det om några år ska bli så även vid Max IV i Sverige.

– Det fina med synkrotroner är att många tekniker finns på samma plats, säger Franco Zanini. Gå 20 meter och gör en annan analys.

Många hoppas att möten mellan olika forskningsfält ska ge helt oväntade synergieffekter. Franco Zanini är full av historier om hur tekniker som utvecklats i ett syfte kan användas i andra sammanhang. Som den gången för 20 år sedan då chokladforskning hjälpte ett Formel 1-lag.

– Det var en tidigare ingenjör hos Ferrari som hade börjat jobba för ett annat lag. De hade problem med ett nytt material i sin motor. Vid flera tävlingar hade bilen inte ens kommit i mål. Problemet var att materialet var poröst och därför svårt att studera. Men tack vare en teknik som vi hade utvecklat för att studera en porös chokladbit kunde vi undersöka och beskriva stabiliteten i motormaterialet, berättar Franco Zanini.

Synkrotronljuset belyser vår historia

Klicka för att ladda ner grafiken som pdf.