Travaux LES PAPYRUS D’HERCULANUM DE PARIS (3ème partie)

Les derniers progrès en matière de déroulement virtuel des rouleaux carbonisés d’Herculanum : rapport sur les expériences menées entre 2007 et 2014

Résumé

On sait combien il est difficile d’ouvrir et de lire les papyrus carbonisés d’Herculanum. Depuis leur découverte en 1752 et 1754 dans la Villa des Papyrus d’Herculanum, de multiples tentatives ont eu lieu, recourant à différentes méthodes. En partenariat avec l’Institut de France et Daniel Delattre (CNRS-IRHT et CISPE), le groupe de recherche (VisCenter) du Dr Brent Seales à l’Université du Kentucky a entrepris de développer des techniques permettant de numériser et de lire les papyrus d’Herculanum de manière non destructrice, fondées sur des méthodes d’imagerie non invasives. Le présent rapport résume les principaux résultats de cette entreprise obtenus à ce jour.

INTRODUCTION

L’Institut de France avait reçu de Napoléon Ier six rouleaux d’Herculanum en dépôt. Parmi eux, les PHerc. Paris. 1 et 2 ont été ouverts à Naples en 1986-87, opération qui a entraîné leur mutilation irrémédiable en plusieurs centaines de fragments épars. Les PHerc. 3 et 4, eux, sont toujours entiers tandis que les rouleaux 5 et 6 que l’on croyait perdus ont été récemment retrouvés, partiellement endommagés par des essais anciens d’ouverture¹. Ces rouleaux proviennent, on le sait, de la bibliothèque de la Villa dite « des Papyrus » qui contenait un grand nombre de livres philosophiques, principalement épicuriens (d’Epicure, de ses premiers disciples, et surtout de Philodème de Gadara) et inconnus par ailleurs. Le présent rapport récapitule les découvertes qui ont accompagné tout un ensemble d’expériences dont quelques fragments et deux rouleaux non déroulés de la collection de la Bibliothèque de l’Institut ont fait l’objet entre 2007 et aujourd’hui. Suite à la signature d’un accord entre l’Institut de France et le « VisCenter » de Lexington animé par le Dr Brent Seales à l’Université du Kentucky, une série de tests non destructeurs suivis de leur analyse a été entreprise dans l’espoir qu’elle mènerait à la mise au point d’une technique à même de faire apparaître, en tout ou en partie, le texte contenu dans les deux rouleaux non déroulés.

1. Chronologie des faits principaux

Fin 2003 : Seales réalise des expériences préparatoires sur des échantillons fabriqués dans son laboratoire2004-2005 : mise au point d’un protocole expérimental de scannage et d’un logiciel d’analyse pour commencer à expérimenter le « déroulement virtuel »2006 : la National Science Foundation finance le projet EDUCE (responsable principal : B. Seales)2007 : D. Delattre collabore avec B. Seales pour proposer d’analyser le matériel provenant d’Herculanum conservé à l’Institut de France Fin 2007 : M. Leclant, au nom de l’Académie des Inscriptions et Belles-Lettres, donne son accord à une série d’expériences à mener sur trois fragments provenant des rouleaux 1 et 2 qui sont prêtés au groupe de recherche de B. Seales pour huit mois et transportés aux USA par D. Delattre et L. Capron Juillet 2008 : les trois fragments prêtés sont rapportés, sans le moindre dommage, à l’Institut par ceux qui les avaient convoyés Fin 20072009 : M. Leclant donne l’accord de l’AIBL pour une seconde série d’expériences sur deux fragments, qui seront restitués (sans dommage) à l’Institut en 201119 juin 2009 : B. Seales présente à l’Institut une note d’information, traduite de l’anglais par D. Delattre, et intitulée « Lire sans détruire les papyrus carbonisés d’Herculanum » (CRAI avril-juin 2009) juillet 2009 : Les deux rouleaux intacts (3 et 4) sont scannés sur place à l’Institut de France, à l’aide d’un CT scanner (tomodensitomètre) généreusement prêté par la société belge SkyScan (technologie non invasive)2010-2012 : B. Seales supervise l’analyse des divers tests et des multiples scans réalisés à Paris, en rassemble les conclusions et prépare en collaboration avec D. Delattre la publication des résultats.

3. 2 Analyse chimique par la méthode PIXE (spectrométrie par émission de particules et mesure des rayons-X)

Cette méthode qui est plus sensible que la précédente, dans la détection des éléments chimiques, a été choisie pour corroborer les résultats précédemment obtenus et pour découvrir des éléments qui auraient échappé à l’analyse par SEM/EDX. Ces tests ont été réalisés au Pacific Northwest National Laboratory sur les fragments 96 et 126 du PHerc. Paris. 2. Seuls les tests menés sur le fragment 126 ont confirmé la présence de calcium, mais aussi celle de deux métaux légèrement plus lourds – strontium et plomb – en faible concentration, l’épaisseur du fragment 96 ne permettant pas d’obtenir des résultats significatifs.

3. 3 Tomodensitométrie (CT) – imagerie par résonance magnétique (IRM)

Les fragments ont été soumis à ces deux techniques utilisées en médecine, afin de déterminer – avant de recourir à la micro-tomodensitométrie expérimentale – si des réglages standard produiraient un contraste significatif entre l’encre et le support : aucun de ces tests n’a produit le contraste attendu.

3. 4 Récapitulation des acquis des tests effectués sur les fragments

*Présence dans l’encre de calcium, et en traces infimes dans le papyrus vierge (EDX, confirmé par PIXE)*Présence d’aluminium et de magnésium dans l’encre, mais aussi dans le papyrus à des concentrations un peu différentes (EDX, confirmé par PIXE)*Présence de faibles traces de strontium et de plomb dans l’encre (PIXE)*Tomodensitométrie et imagerie à résonance magnétique inopérantes pour faire apparaître un contraste entre l’encre et le papyrus

La conclusion positive à tirer de ces tests est que le calcium et des traces d’aluminium, magnésium, strontium et plomb sont les éléments discriminants entre l’encre et le matériau papyrus dans les fragments d’Herculanum.

4. MICRO-TOMODENSITOMÉTRIE DES PHERC.PARIS. 3 et 4

La deuxième partie du projet a consisté à scanner les rouleaux 3 et 4 au moyen de la micro-tomodensitométrie, qui sert à rendre visible la structure interne des objets. Si les tests sur les fragments révélaient des différences de composition chimique mesurables, il était néanmoins impossible de préciser la manière dont ces différences se manifesteraient à l’aide de la micro-tomodensitométrie industrielle, et donc difficile de connaître à l’avance le degré de contraste qu’on pourrait obtenir entre l’encre et son support. Un scanner portable (modèle SkyScan 1173) a été mis à disposition et livré gracieusement par la société SkyScan, de Kontich (Belgique) à l’Institut de France – dont le porche d’entrée a été tout juste assez large pour laisser entrer le camion.

4. 1 Caractéristiques de l’équipement

La source de rayons-X de cette machine – pesant 270 kg et mesurant 1m 07 de large, 0, 625 m de haut et 0, 72 m en profondeur – peut produire un rayonnement allant de 40 à 130 KeV, avec une taille de point de 5 microns. Le détecteur par rayons-X offre une résolution de 2240 x 2240 pixels avec un champ dynamique de 12 bits. L’échantillon à analyser est fixé sur un socle qui peut se mouvoir dans trois directions et tourne à 360°. La taille maximale de l’échantillon est pour ce modèle de scanner de 0,20 m de long et de 0,14 m de diamètre, ce qui convenait fort bien pour les deux rouleaux.

4. 2 Support et mesure de l’échantillon

Deux boîtes en polyuréthane, transparentes aux rayons-X et doublées à l’intérieur d’un revêtement satiné, ont été préalablement fabriquées à la conformation exacte de chacun des deux rouleaux (préalablement scannés en 3D pour prise d’empreintes), en vue d’éviter tout dommage aux rouleaux durant les diverses phases de l’expérience.

4. 3 Scannage des deux rouleaux intacts

Les PHerc. Paris. 3 et 4 ont été scannés l’un après l’autre en juillet 2009, avec différents réglages de puissance des rayons-X et différentes configurations de résolution, dans l’espoir que le scannage produirait un ensemble de données qui feraient apparaître clairement le texte écrit qu’ils renferment. A cause des contraintes informatiques imposées par la reconstruction virtuelle complète, il n’était pas possible de reconstruire tous les ensembles de données sur place, si bien qu’on a dû réaliser le scannage en estimant a priori la manière dont l’encre et le papyrus pourraient finalement se différencier. La présentation finale, quant à elle, n’a été obtenue qu’une fois la reconstruction achevée, alors que le scannage était terminé depuis longtemps. Chaque rouleau a été scanné section par section, puisque les rouleaux étaient trop grands pour être embrassés en une seule fois par le rayon : chacune de ces sections étant scannée en pleine résolution, elles s’assembleraient ensuite virtuellement en se recouvrant lors de la reconstruction. La détermination des protocoles de scannage (paramétrage) a pris beaucoup de temps et exigé une analyse attentive sur place des scans tests et des estimations de positionnement. Les rouleaux ont été manipulés uniquement par le personnel de l’Institut, en l’occurrence Mme F. Queyroux qui a veillé constamment à leur sécurité : à aucun moment leur intégrité n’a été mise en danger.

4. 4 Analyse

La reconstruction des données du scannage par micro-tomodensitométrie, effectuée en juillet 2009, a nécessité l’utilisation des serveurs informatiques à processeurs multi-cœur de l’Université du Kentucky durant un mois. Cette reconstruction a été la première étape d’un processus complexe de mise en ordre des données aux fins de constituer à partir des sessions de scannage un ensemble de données validé. En particulier, se sont succédé fin 2009, une fois le scannage achevé, les étapes informatiques suivantes :*la reconstruction complète, en pleine résolution, à partir de toutes les projections originales, de tous les ensembles de données micro-tomodensitométriques, *l’alignement des sections reconstruites sous forme de maquettes complètes avec fusion des couches superposées,*l’alignement de scans complets, effectués à des réglages différents en puissance, les uns avec les autres, quand c’était possible,*l’attribution à chacun des scans de métadonnées validées et de noms conventionnels.

Ce processus a nécessité près de huit mois. C’est seulement en mai 2010 que des ensembles complets de données ont été prêts pour être segmentés en couches et déroulés à plat.

4. 5 Découvertes
Les données micro-tomodensitométriques font apparaître, dans les deux rouleaux, la structure d’ensemble de leur enroulement. La structure des fibres du papyrus se voit clairement et la résolution des scans (25 microns environ) a été suffisante pour distinguer les différentes spires, rendant possible un décompte des strates de chacun des rouleaux. En raison du mauvais état des rouleaux et d’un certain nombre de sections où il manque des couches, le décompte exact des spires est difficile. Mais l’analyse fait voir sur les images de diverses couches que le nombre des spires était compris entre 110 et 130 pour ces rouleaux. Cela représente une longueur approximative comprise entre 11 et 15 mètres, et qui correspond tout à fait à la longueur (calculée) de nombreux rouleaux d’Herculanum (par exemple, le volumen reconstruit du livre IV de La Musique de Philodème avait une longueur d’un peu moins de 12 m).

Les scans présentent de nombreuses variations d’intensité, qui ont pu être attribués à trois facteurs essentiels :

• la présence de silice (?)
• des variations de la structure et de la densité du papyrus
• la présence de poches d’air. A quoi l’on peut ajouter la présence d’un umbilicus – fine baguette qui, dans le cas présent, faisait toute la hauteur du rouleau et dont les extrémités sont d’ailleurs visibles à l’œil nu – autour duquel était enroulé le seul PHerc.Paris.3 (294 grammes) et qui s’est brisé en plusieurs morceaux suivant les déformations imposées au rouleau lors de l’éruption du Vésuve. Le PHerc.Paris.4, en revanche, qui par ailleurs est moins épais et moins lourd (141 grammes) et moins « torturé », était simplement roulé sur lui-même, car les scans ne montrent aucune variation d’intensité en son centre. Comme les deux cas de figure se rencontrent parmi les autres papyrus d’Herculanum, ce constat n’a rien de surprenant. Néanmoins nous n’avons pas réussi à détecter de variations d’intensité qui seraient un effet direct de l’encre.

La structure interne des papyrus se révèle extrêmement irrégulière et, pour cette raison, constitue un défi pour qui cherche à les dérouler complètement en une surface plane et cohérente. De nombreux essais ont permis de « dérouler » un ensemble de petites sections, chacune d’entre elles montrant clairement le croisement à angle droit caractéristique des fibres du papyrus. Cela confirme que le déroulement et la mise à plat qui ont pu être réalisés virtuellement pour certaines sections sont corrects. Toutefois, la micro-tomodensitométrie ne fait apparaître aucune trace d’encre sur les sections ainsi « déroulées ».

5. DEUXIÈME ANALYSE DE FRAGMENTS

Un second ensemble de tests a été mené sur deux fragments chez SkyScan à Kontich en Belgique, et à Palo Alto en Californie, dans l’accélérateur en ligne de Stanford. Ces tests, incluant une analyse à très haute résolution effectuée à l’aide de ce qu’on appelle la « nano-tomodensitométrie » ainsi que d’une imagerie utilisant les rayons-X à très haute résolution, ont constitué une façon d’exploiter les informations fournies par la première analyse de fragments menée en 2007-2008.

5. 1 Nano-tomodensitométrie
La tomodensitométrie à l’échelle nano, réservée à des échantillons de très petite taille, permet une reconstruction qui recourt à des énergies de rayons-X plus basses et à des résolutions beaucoup plus petites. Il était raisonnable de tenter une expérience à l’échelle nano avec des énergies beaucoup plus proches de la raie d’absorption, ou « raie K », du calcium. Quand on utilise des énergies de photons voisines de la raie d’absorption d’un élément chimique, il se produit une nette discontinuité dans le spectre d’absorption. Les premiers tests sur des fragments ayant révélé que le calcium est un facteur discriminant de l’encre employée à Herculanum, l’idée était de rassembler des données les plus proches de la raie K du calcium qui est de 4,0381 keV. Quoique il n’ait pas été possible de produire des rayons-X à 3-4 keV à l’aide de la source à disposition, des données ont pu néanmoins êtres récoltées dans un registre nettement plus bas qu’avec la micro-tomodensitimétrie, entre 10 et 20 keV. L’expérimentation a été faite dans un vide partiel pour réduire l’atténuation et avec une énergie de l’ordre de 20 keV : les données de la nano-tomodensitométrie se sont révélées incapables de détecter l’encre dans de telles conditions. Etant donné que l’échantillon portait sur la couche supérieure de l’encre nettement visible, on a désormais la confirmation indiscutable que les techniques d’absorption à 20 keV et plus ne rendent pas visible l’encre. Ce résultat est certes décevant, mais cohérent avec ceux qu’avaient fournis les méthodes EDX et PIXE, bien que nous ayons cru que les traces de strontium ou de plomb pourraient jouer sur l’absorption de l’encre et mener à sa visualisation.

5. 2 Radiographie numérique à haute résolution
La radiographie standard ou la projection de rayons-X pour la tomographie ont une extension spatiale et une intensité dynamique limitées. Afin de détecter des différences d’absorption très ténues, l’utilisation des rayons-X à haute définition et haute sensibilité permet d’étendre le spectre dynamique détecté et d’ouvrir des opportunités pour le renforcement et la segmentation là où les rayons-X standard échouent. Cette méthode d’imagerie se caractérise par un allongement des temps d’exposition à la source de rayons-X et une plus grande sensibilité d’imagerie.

5. 3 Imagerie thermographique
L’imagerie thermique, qui a la particularité de faire apparaître les contrastes en se basant sur la réponse à la lumière infrarouge, peut pénétrer jusqu’à une certaine profondeur dans les matériaux perméables. Que de grandes longueurs d’onde puissent accentuer le contraste de l’encre utilsée à Herculanum, cela l’imagerie multi-spectrale l’a déjà montré. L’objectif de ce nouveau test était de voir combien de couches une lumière infrarouge brillante ou intense pourrait pénétrer. Bien que nous ayons pu reproduire des expériences de contraste avec des longueurs d’onde tournant autour de 900 nm, il n’a pas été possible de pénétrer à travers le papyrus pour y mettre en évidence de l’écriture sous la couche supérieure.

5. 4 SEM-EDX
Pour confirmer les découvertes obtenues lors des premiers tests sur les fragments, nous avons testé indépendamment un autre fragment à l’aide des techniques SEM-EDX. Ce test effectué sur un fragment différent se voulait une confirmation des résultats précédemment obtenus à l’aide des techniques PIXE et EDX. Les résultats ont confirmé les précédentes expériences, quoique avec des changements dans les concentrations de calcium, de silice et de silicium dans l’encre et le papyrus. Cette expérience n’a pas détecté de trace d’élément plus lourd.

5. 5 Spectrométrie de fluorescence X à haute résolution (XRF)
La spectrométrie de fluorescence X sert principalement à déterminer la composition chimique d’une substance par la mesure de l’émission de rayons-X qu’elle induit (c’est cela qu’on appelle précisément « fluorescence »). Les systèmes à haute résolution spatiale et à haute sensibilité à des éléments plus légers requièrent l’utilisation d’un rayonnement extrêmement fin et de grande intensité, produit dans un accélérateur en ligne. Ce rayon, braqué sur un échantillon, produit la fluorescence secondaire aux rayons-X dont la détection est ensuite interprétée pour préciser la composition élémentaire de l’échantillon. Cette expérience a été la seule pour laquelle un accès à une ligne de rayons-X de haute puissance produite par un synchrotron a été accordé. Ce faisceau était à même de mesurer la réponse à des énergies beaucoup plus basses que ne le fait un faisceau standard. L’analyse de fragments à l’aide d’un faisceau cohérent de synchrotron est l’un des domaines les plus prometteurs de la recherche, puisque les rayons peuvent être réglés de façon à tirer avantage de traces d’éléments, de configurations élémentaires telles que calcium ou silicium, et des traces d’éléments en combinaison. Les résultats de l’expérimentation avec le synchrotron, menée avec l’accélérateur en ligne de Stanford, ont fait apparaître un contraste sur la ligne de l’arsenic, ce qui était une nouveauté. Mais comme nous n’avons pas disposé de suffisamment de temps de lumière pour confirmer ce résultat sur d’autres fragments, ce champ reste ouvert à la recherche.

5. 6 Deuxième test sur des fragments : récapitulation des découvertes
Le deuxième ensemble de tests menés sur les fragments a confirmé que le calcium permet de différencier l’encre du papyrus. Les tests de fluorescence effectués avec l’accélérateur de Stanford ont montré qu’il peut y avoir également présence d’arsenic – élément supplémentaire pouvant servir à discriminer l’encre. Mais les tests sont loin d’avoir permis de développer une méthode pour créer un contraste entre les zones encrées et non encrées. Il n’est pas exclu que, si la nano-tomodensitométrie n’a pas permis de générer de contraste, ce soit parce que des énergies aussi basses que 3-4 keV n’ont pas pu être produites par la source de rayons-X dont nous disposions. L’encre n’est pas visible à la radiographie numérique à haute résolution, et l’imagerie thermographique a montré que l’épaisseur des spires de papyrus arrête la pénétration de la lumière infrarouge au-delà d’une (ou deux) couche(s). Il ne paraît donc pas possible de recourir aux techniques thermographiques pour un rouleau entier.

6. CONCLUSIONS

Voici, en fin de compte, ce que plusieurs années de travail et d’analyse nous ont permis de découvrir concernant les fragments et les rouleaux d’Herculanum : *la micro-tomodensitométrie a rendu visible la structure interne complète des PHerc. Paris. 3 et 4 ; *le nombre des spires donne, pour chacun des rouleaux, une longueur approximative comprise entre 11 (n°4) et 15 m (n°3) ; *la micro-tomodensitométrie fait apparaître de nombreuses variations de densité ; les nombreux petits points clairs sur les scans indiqueraient (?) la présence de silice à l’intérieur des rouleaux intacts ; *les autres variations de densité sur les scans sont dues à la variation en densité des fibres du papyrus ainsi qu’à des poches d’air présentes entre les couches ; *il n’a pas encore été trouvé de technique pour rendre visible l’encre à l’intérieur des rouleaux en dépit des tests menés sur les fragments qui indiquent la présence possible de calcium, de silicium, d’arsenic, de strontium et de plomb dans l’encre, eléments absents dans le papyrus vierge.

Le « déroulement virtuel » complet de chacun des rouleaux n’est pas encore achevé en raison des difficultés algorithmiques qui se rencontrent dans le traitement des données. Néanmoins le travail se poursuit pour relever ce défi, le but étant de faire voir comment se présenterait le rouleau un fois entièrement déroulé et mis à plat. La confirmation que la segmentation des données est correcte peut être obtenue à partir de la mise en évidence de la structure des fibres du papyrus. Peut-être sera-t-il possible de découvrir d’autres caractéristiques dans les données, une fois le déroulement virtuel achevé. A défaut de rendre visible le texte caché, cette opération devrait apporter d’intéressants renseignements aux papyrologues, en permettant par exemple de repérer les collages verticaux (kolleseis) des feuillets de papyrus et ainsi de mesurer précisément la largeur des différents feuillets mis bout à bout pour fabriquer chaque rouleau et d’en faire le décompte total. Mais surtout, appliquée à des fragments isolés comportant plusieurs strates, cette technique pourra permettre de connaître le nombre ainsi que la forme et la taille de chacune des strates superposées et, par là même, de préciser la « géographie » des colonnes qui précèdent celle où la couche supérieure trouve sa place en y positionnant de façon assez précise la silhouette des fragments cachés (sottoposti), même si le texte ne s’en lit pas encore. Cela devrait constituer une aide appréciable pour la reconstruction de rouleaux démembrés tels que les PHerc.Paris.1 et 2. De même, quand des restes limités de couches supérieures (sovrapposti) subsistent sur la couche principale, il deviendra possible de faire la même opération que précédemment, mais cette fois en réservant des zones correspondantes (vides de texte) dans les colonnes suivant celle où l’on replace la couche « de base ». Or le problème des sovrapposti et sottoposti est précisément l’un des plus difficiles à résoudre pour les papyrologues d’Herculanum. On dispose aujourd’hui de techniques comme la tomographie par rayons-X en contraste de phase, qui seraient peut-être susceptible de créer, sur la base des résultats déjà obtenus, un contraste entre l’encre et le papyrus. En particulier, la présence confirmée dans l’encre de calcium et autres éléments absents dans le papyrus peut servir à construire une méthode d’imagerie recourant au synchrotron qui soit adaptée à la production de contraste entre les données. Comme ces techniques, qui ne sont pas invasives, sont en mesure de produire une percée à travers les couches qui rendrait l’encre visible, il paraît raisonnable d’envisager de poursuivre les tests dans cette direction.

Comment accéder à l’écriture contenue dans les rouleaux d’Herculanum non encore déroulés ? Voilà un défi parmi les plus stimulants qui soient pour les chercheurs d’aujourd’hui : la présente recherche a déjà contribué, de façon substantielle, à faire connaître comment on peut envisager de relever un tel défi – et cela, il faut le redire, sans causer de dommage au matériel original.