Gli scavi della necropoli furono eseguiti durante il pontificato di papa Pio XII (1939-1958), negli anni compresi tra il 1939 e il 1949. I lavori furono intrapresi a seguito della richiesta di Pio XI. Il pontefice aveva lasciato scritto nel suo testamento di voler essere sepolto in un luogo delle Grotte vaticane il più vicino possibile alla tomba di San Pietro. Poiché l'ambiente scelto dal defunto papa era angusto, si decise di abbassare il pavimento per rendere più agevole il lavoro. Poco tempo dopo comparvero le tracce di un?edicola del II secolo d.C. che gli studiosi, fonti e reperti alla mano, riconobbero subito come tomba di san Pietro. Ma non solo, gli ulteriori scavi portarono alla scoperta di quello che inizialmente fu interpretato come i resti di un sarcofago, ma che ad un più attento esame si rivelò essere il cornicione di un edificio di epoca romana.

All'iniziare gli scavi apparve una duplice fila di edifici sepolcrali, disposti sul pendio del Colle Vaticano, erano posti l'uno accanto all'altro da ovest verso est, costruiti con muratura in laterizio e gli interni ricchi di stucchi, pitture e mosaici. Gli scavi portarono quindi alla luce una necropoli il cui nucleo principale risale al II secolo e che risulta utilizzata per un lungo periodo compreso tra il I secolo e l'inizio del IV.

La profondità della necropoli varia dai 12 ai 5 metri rispetto al livello del pavimento dell'attuale basilica. Gli scavi non hanno portato alla luce tutta la necropoli: parte di essa è ancora interrata ed inesplorata. I mausolei rinvenuti appartenevano a famiglie di ricchi liberti, ed erano costituiti da grandi stanze coperte a volta, spesso con un recinto antistante, e dotati di terrazzo, a cui si accedeva tramite scala esterna. I defunti ivi sepolti potevano essere sia cremati che inumati. L'interno delle stanze sepolcrali era interamente ornato: pitture, stucchi, e talvolta anche mosaici.

Gli scavi vennero condotti su un'area complessiva di metri 69x18. Il cimitero che venne riportato alla luce era "a cielo aperto". Un'angusta stradina risaliva il colle vaticano, e ai suoi lati si trovano gli edifici dalle eleganti facciate in laterizio. Tutti gli edifici erano rivolti verso il circo di Nerone, che verosimilmente fu il luogo del martirio dell'Apostolo Pietro.

La tomba di Pietro fu individuata presso il "Campo P", nella zona ovest della necropoli, dove la pietà dei cristiani aveva edificato già intorno alla metà del II secolo.
A parte la tomba di Pietro, l'elemento più significativo, più grande e più lussuoso della necropoli è il mausoleo dei Valerii. È una tomba romana decorata con eccellenti stucchi, colori vivaci, e affreschi che imitano il marmo policromo. Eretto poco dopo la metà del II secolo, si trova al centro della necropoli.
Nel 1998 furono avviati i lavori di restauro nella necropoli vaticana, sotto la responsabilità della Fabbrica di San Pietro e con il contributo dell'Enel. Scopo dei lavori era quello di conservare le strutture murarie, gli stucchi e gli affreschi, e di installare un impianto di illuminazione che valorizzasse gli edifici sepolcrali e in particolare la tomba di Pietro. Particolare cura venne posta nel generare un'illuminazione che riproducesse la situazione originaria della necropoli all'aperto.

Il restauro è stato preceduto da un'accurata indagine rivolta allo studio del microclima, all'individuazione dei microrganismi biodeteriogeni presenti, e all'analisi delle salificazioni rinvenute sui muri e sugli affreschi.

Allo scopo di proteggere l'equilibrio termoigrometrico tra l'interno delle strutture e l'ambiente circostante, alcuni mausolei sono stati chiusi con porte di cristallo. Barriere simili ma capaci di aprirsi automaticamente sono stati collocate presso l'ingresso degli scavi e lungo il percorso della necropoli. Flussi di aria filtrata ed umidificata, spinte all'interno attraverso apposite botole, hanno migliorato altresì le condizioni microclimatiche degli scavi.

Durante il restauro sono stati individuati gli agenti migliori per evitare l'aggressione microbiologica (batteri, funghi e alghe) e chimica (sali, più precisamente solfati, nitrati e cloruri). Inoltre gli affreschi hanno ricevuto interventi consolidanti agli intonaci, e i pigmenti sono stati riancorati al loro substrato.

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