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Sono state formulate moltissime ipotesi circa la formazione dell'immagine (pittura, camera oscura, pirografo, bassorilievo strofinato, bassorilievo riscaldato, vaporografia, contatto, effetto corona ecc.) senza poter ancora giungere a risolvere l’enigma. Non si tratta di una pittura: senza contare le innumerevoli difficoltà che avrebbe dovuto affrontare un ipotetico pittore, come hanno messo in luce le analisi del XX secolo l'immagine, non presente sul rovescio del tessuto, non è dovuta a sostanze applicate sullo stesso ma al progressivo ingiallimento delle fibrille superficiali della stoffa, risultato di una disidratazione e ossidazione che penetra solo per 0,2 millesimi di mm (inoltre è possibile realizzare un'elaborazione tridimensionale dell'immagine poiché esiste una correlazione tra l'intensità della figura e la distanza telo-corpo); l’immagine non è neanche dovuta ad un meccanismo diffusivo (mancano tracce di decomposizione che giustifichino una reazione del lino) e nemmeno ad un meccanismo di contatto diretto (la figura è evidente anche nelle zone dove non poteva esserci contatto, come fra naso e guance). L’ipotesi attualmente più verosimile, sulla base di verifiche sperimentali operate da fisici dell’ENEA di Frascati, è quella di un meccanismo radiativo in senso lato: è come se l’immagine, che non presenta zone d’ombra, sia il risultato di un’esplosione di luce da ogni punto del cadavere avvolto nel telo.
