Efter att ha varit gömd i århundraden, hemligheterna i medeltida manuskript kan snart komma i dagen.

Genom att kombinera två avbildningstekniker - synlig hyperspektral avbildning och röntgenfluorescens - har ett tvärvetenskapligt team av Northwestern University-forskare utvecklat en ny, oförstörande teknik som ger tillgång till medeltida texter gömda inuti antika bokbindningar.

Mellan 1400- och 1700-talen, bokbindare återvann binden från medeltida pergament till nya bindningsmaterial för tryckta böcker. Medan forskare länge har varit medvetna om att böcker från denna tidsperiod ofta innehåller dolda fragment av tidigare manuskript, de hade aldrig möjlighet att läsa dem.

"I generationer, forskare har trott att denna information var otillgänglig, så tänkte de, "Varför bry sig?" sa Marc Walton, senior vetenskapsman vid Northwestern University-Art Institute of Chicago Center for Scientific Studies (NU-ACCESS). "Men nu öppnar framsteg i beräkningsavbildning och signalbehandling ett helt nytt sätt att läsa dessa texter."

Delvis med stöd av Andrew Mellon Foundation, forskningen publicerades online i tidskriften Analytica Chimica Arts . Northwestern Engineerings Walton skrev studien tillsammans med professorerna i elektroteknik och datavetenskap Aggelos Katsaggelos och Oliver Cossairt. Emeline Pouyet, en postdoktor i NU-ACCESS, fungerade som tidningens första författare. Richard Kieckhefer, professor i religion och historia vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences, och Arthur Woll, senior forskarassistent vid Cornell High Energy Synchrotron Source, bidrog också till studien.

Boken som satte igång studien är en kopia av den grekiske poeten Hesiods Verk och dagar från 1537. Inköpt av Northwestern 1870, kopian är det enda återstående avtrycket som behåller sitt ursprungliga slitsade pergamentband. Även om det var denna bindning som ursprungligen fångade nordvästra bibliotekariers uppmärksamhet, det var förslaget att skriva under pergamentet på boktavlan som väckte nya frågor.

När NU-ACCESS-forskare studerade bindningen, de märkte att bokbindaren försökte ta bort skriften på boktavlan, troligen genom tvättning eller skrapning. Boktavlan, dock, behöll två spöklika skriftspalter omgivna av marginella kommentarer, som fortfarande var synliga genom pergamentet på bokens fram- och bakpärm.

"Bläcket under försämrade pergamentet, så att du kunde börja se skriften, " sade Pouyet. "Det var där den analytiska studien började."

Walton och Pouyet använde ursprungligen en hyperspektral avbildningsteknik för synligt ljus för att se skriften, men det gav dåliga resultat på grund av pergamentets oregelbundna nedbrytning. Tekniken gjorde verkligen skriften lite tydligare men inte tillräckligt tydlig för historikern Kieckhefer att läsa. Nästa, paret provade röntgenfluorescensavbildning med ett bärbart instrument. Tekniken gav den första informationen om bläcksammansättningen; dock, texten var fortfarande oläslig på grund av dålig rumslig upplösning.

På jakt efter en kraftfullare bildkälla, Walton och Pouyet skickade boken till Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) i Ithaca, New York, där den ljusa röntgenkällan och det snabba detekteringssystemet möjliggjorde en fullständig bild av huvudtexten och marginalkommentarer i hela bokbindningen. När forskarna skickade den tydligare bilden till Kieckhefer, han erkände det omedelbart som 600-talets romerska lag, med tolkningsanteckningar som hänvisar till den kanoniska lagen skrivna i marginalen.

Walton och Pouyet antar att pergamentet ursprungligen kan ha använts i en universitetsmiljö där romersk rätt studerades som en grund för att förstå kanonisk rätt, vilket var en vanlig praxis under medeltiden. Den juridiska skriften täcktes då eventuellt och återvanns eftersom den var föråldrad eftersom samhället redan hade slagit ner de romerska lagarna för att implementera kyrkolagen.

"När du har rätt verktyg, analys är mycket lättare, ", sade Walton. "Men problemet är att du inte alltid kan ta ovärderliga böcker till en ofta utom räckhåll synkrotronstråle. Vi ville kunna använda våra labbbaserade instrument för att utföra den här typen av arbete."

Paret kontaktade sedan Northwestern datavetenskapsprofessorer Katsaggelos och Cossairt för att hjälpa till att utforska nya sätt att avbilda boken.

"Vi var tvungna att utveckla nya metoder för att göra analysen som vi annars inte skulle ha haft, " sade Walton. "Det finns ingenting som finns från hyllan som vi kan använda för att helt enkelt avbilda den här boken och läsa den dolda skriften."

"Det finns ett stort antal våglängder i det elektromagnetiska spektrumet, och varje våglängd har sina fördelar och nackdelar, sa Katsaggelos, Joseph Cummings professor i elektroteknik och datavetenskap. "Några av dem kan tränga djupare in i provet, några av dem har bättre upplösning, och så vidare."

Med hjälp av en maskininlärningsalgoritm utvecklad av hans team, Katsaggelos upptäckte att inte en bildteknik utan en sammanslagning av två skulle ge de bästa resultaten. Hans team kombinerade synlig hyperspektral avbildning, som inkluderar våglängder inom det synliga ljusspektrumet för att ge hög rumslig upplösning, med röntgenfluorescensavbildning, som ger hög intensitetsupplösning. Algoritmen informerade forskarna om det relativa bidraget från varje modalitet för att producera den bästa bilden.

"Genom att kombinera de två modaliteterna, vi hade fördelarna med var och en, " sa Katsaggelos. "Vi kunde framgångsrikt läsa vad som fanns innanför bokens omslag."

Katsaggelos datafusionsbild var så tydlig att den konkurrerade med en bild av huvudtexten som producerades av de kraftfulla röntgenstrålarna på CHESS.

Även om detta mysterium med texten gömt i Hesiodos bokbinderi Verk och dagar är nu löst, Walton och Pouyet tror att deras arbete precis har börjat.

"Vi har utvecklat teknikerna nu där vi kan gå in i en museisamling och titta på många fler av dessa återvunna manuskript och avslöja skriften gömd inuti dem, Walton sa. "Detta är verkligen början på ett mycket större initiativ."