„Ich habe eines der feinsten und am wenigsten erwarteten Ergebnisse erhalten – Spektren der Sterne – und wunderschöne Spektren mit Farben und herrlichen Linien. Nur noch ein Schritt und die chemische Zusammensetzung des Universums wird enthüllt“, schrieb der Astrophysiker Pierre Jules César Janssen im Dezember 1862 von einem Observatorium in Italien an seine Frau. Bewaffnet mit der neuesten Technologie seiner Zeit und den Beobachtungen anderer westlicher Astrophysiker war Janssen fest entschlossen, die Geheimnisse der Galaxie zu lüften.
Am 18. August 1868 gelang Janssen genau das. Er beobachtete als erster Mensch Helium, ein Element, das noch nie zuvor auf der Erde zu sehen war, im Sonnenspektrum. Damals wusste Janssen allerdings noch nicht, was er gesehen hatte – nur, dass es etwas Neues war.
Die Mitte des 18. Jahrhunderts war eine aufregende Zeit, um in den Himmel zu schauen. Ein neues Instrument, das Spektroskop, revolutionierte die Astronomie. Ähnlich wie ein Teleskop funktionierte das Spektroskop wie ein leistungsstarkes Prisma, das das Licht in messbare Wellenlängen zerlegte. Ein frühes Modell hatte es dem Physiker Joseph Fraunhofer Anfang des 19. Jahrhunderts ermöglicht, die Sonne zu beobachten, aber er war verwirrt von schwarzen Linien, die die normalen Farben unterbrachen. Diese schwarzen Linien wurden nach Fraunhofer benannt, obwohl er nicht verstand, worum es sich dabei handelte.
Dieses Wissen sollte einige Jahrzehnte später mit den deutschen Forschern Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen kommen. 1859 entdeckten Bunsen und Kirchoff, dass das Erhitzen verschiedener Elemente helle Lichtlinien im Spektroskop erzeugte – und diese Lichtlinien entsprachen manchmal den dunklen Fraunhofer-Linien.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass die hellen Linien erschienen, wenn ein heißes Gas verbrannt wurde. Zum Beispiel brennt Wasserstoff orange, aber wenn man ihn durch ein Spektroskop betrachtet, wird klar, dass das Orange aus vielen einzelnen schmalen Lichtwellenlängen besteht. In ähnlicher Weise stellten die dunklen Linien, die Fraunhofer entdeckt hatte, Licht dar, das von einem kühleren Element an der Oberfläche der Sonne absorbiert wurde. „Die beiden Wissenschaftler fanden heraus, dass jedes chemische Element ein einzigartiges Spektrum erzeugt“, schreibt das American Institute of Physics. „Dies liefert eine Art ‚Fingerabdruck‘, der das Vorhandensein dieser Chemikalie bestätigen kann.“
Indem sie die Emissionsspektren bestimmter Elemente im Labor analysierten und dann ihre Spektroskope auf die Sterne richteten, konnten die Forscher die chemische Zusammensetzung von allem, von unserer Sonne bis zu den Sternen in der Galaxie, erkennen.
„Vor dem Spektroskop hatte man keine Ahnung, woraus die Sonne besteht, oder woraus Sterne bestehen“, sagt Deborah Warner, Kuratorin in der Abteilung für Medizin und Wissenschaft am National Museum of American History. „Plötzlich gibt es diese fast magische Technik, mit der man die Elemente dieser entfernten Körper kennen kann. Neue Elemente tauchen rechts und links auf, weil man dieses neue Werkzeug hat.“
Janssen stürzte sich eifrig in diese neue Form der Lichtanalyse. Obwohl er in Paris lebte, reiste er quer durch Europa und Asien auf der Suche nach optimalen Aussichtspunkten für die Beobachtung des Nachthimmels. Er jagte auch Sonnenfinsternissen hinterher, besuchte Italien im Februar 1867 und reiste dann bis nach Guntur, Indien, zur totalen Sonnenfinsternis am 18. August 1868. Die französische Regierung und die nationale Akademie der Wissenschaften finanzierten diese Expedition und die eines anderen Franzosen und gaben mehr als 75.000 Francs für die beiden Reisen aus.
Aber die hohen Kosten sollten sich als lohnende Investition erweisen. Am Tag der Sonnenfinsternis sah Janssen, bewaffnet mit seinem Spektroskop, etwas Außergewöhnliches: eine helle gelbe Linie, deren Wellenlänge zu keinem bekannten Element passte. Das Spektrum kam dem Muster von Natrium am nächsten, war aber deutlich genug, um eine eigene Kategorie zu verdienen. Es schien, als hätte Janssen ein neues Element entdeckt, das noch nie zuvor auf der Erde gesehen wurde.
Zur gleichen Zeit entdeckte Janssen eine neue Möglichkeit, die Sonne ohne eine Sonnenfinsternis zu beobachten, indem er ein modifiziertes Teleskop verwendete. Das alles teilte er nach der Sonnenfinsternis der Akademie der Wissenschaften mit. Etwa zur gleichen Zeit erhielt die Akademie die Nachricht des englischen Astronomen Norman Lockyer, dass er auf eine Erfindung gestoßen war, die es ihm ermöglichte, die Sonne ohne Sonnenfinsternis zu beobachten, und dass er eine ähnliche Beobachtung gemacht hatte. Da die Arbeiten der beiden Männer sich gegenseitig bestätigten, war es schwierig, einem der beiden die endgültige Anerkennung zu geben. Der Astronom Hervé Faye schlug eine Art Kompromiss vor: „Anstatt zu versuchen, das Verdienst der Entdeckung aufzuteilen und sie dadurch zu schmälern, wäre es besser, die ganze Ehre unparteiisch diesen beiden Männern der Wissenschaft zuzuschreiben, die, durch einige Tausende von Meilen getrennt, beide das Glück hatten, das Unfassbare und Unsichtbare durch eine Methode zu erreichen, die wahrscheinlich die erstaunlichste ist, die der Genius der Beobachtung je ersonnen hat?“
Die beiden Forscher waren sich herzlich einig, die Ehre der Entdeckung zu teilen, und wurden später enge Freunde. Doch trotz der Aufregung über ihre Beobachtung blieben Fragen offen. Die wichtigsten unter ihnen: Was genau hatten Janssen und Lockyer gesehen? Nicht alle Wissenschaftler glaubten an die Beobachtung, wie Lockyer bald erfahren sollte. Auf der Suche nach Beweisen für die Behauptung, er habe bei der Entdeckung eines neuen Elements geholfen, wandte sich Lockyer an den englischen Chemiker Edward Frankland, der versuchte, das Wellenlängenmuster im Labor zu reproduzieren. Frankland stellte die Theorie auf, dass es durch Wasserstoff unter extremer Temperatur und Druck verursacht werden könnte, aber sie waren bei ihren Versuchen, es nachzubilden, nicht erfolgreich.
Die Skepsis über die Möglichkeit, dass ein Element im Weltraum, aber nicht auf der Erde existiert, ist vielleicht keine Überraschung, da es das erste seiner Art war. Die Wissenschaftshistoriker James L. Marshall und Virginia R. Marshall schreiben: „Frankland, vielleicht vorsichtig wegen der vielen fehlerhaften ’neu entdeckten Elemente‘, die sich aus den nun verfügbaren hochauflösenden Spektren ergaben, behauptete, dass er seinen Namen nicht mit diesem imaginären Element in Verbindung gebracht haben wollte“, selbst nachdem Lockyer an die Öffentlichkeit ging und es „Helium“ nannte, nach dem griechischen Namen für die Sonne.
Nicht jeder war so skeptisch. Der amerikanische Wissenschaftler John William Draper pries die Entdeckung 1876 in einer Ansprache bei der Eröffnungssitzung der American Chemical Society an. „Ich betrachte oft den hellen gelben Strahl, der von der Chromosphäre der Sonne ausgeht, von diesem unbekannten Element, Helium, wie die Astronomen es zu nennen gewagt haben. Es scheint vor Aufregung zu zittern, um seine Geschichte zu erzählen, und wie viele unsichtbare Begleiter es hat“, sagte Draper.
Es dauerte bis 1882, bis ein Physiker Helium auf der Erde entdeckte. Der italienische Physiker Luigi Palmieri zeichnete die gelbe Spektrallinie in seinen Daten auf, als er die Lava des Vesuvs analysierte. Dieser Entdeckung folgten später Experimente des schottischen Chemikers William Ramsay mit dem Gas, und 1895 konnten die Forscher definitiv sagen, dass Helium sowohl auf der Erde als auch in der Sonne existiert. Ramsay zeigte weiterhin, dass Helium ein Produkt des radioaktiven Zerfalls von Radium ist, und setzte es in Beziehung zu anderen Elementen im Periodensystem.
Heute ist Helium wahrscheinlich am bekanntesten als das Gas, das Geburtstagsballons füllt, aber das Gas dient auch wichtigen Zwecken in medizinischen Geräten (wie MRT-Scannern) sowie in Raumfahrzeugen und Strahlungsmonitoren. Es wird auch in Computerteilen, Mikroskopen, Airbags in Autos und dem großen Hadron-Collider verwendet, der für physikalische Experimente eingesetzt wird. Viele haben sich Sorgen über eine Verknappung des Elements gemacht, aber ein großes Vorkommen, das in Tansania gefunden wurde, bedeutet, dass wir wahrscheinlich für einige Zeit gut versorgt sind.
Was Janssen betrifft, so hat er sich kaum auf seinen Lorbeeren ausgeruht, nachdem er Helium in der Sonne entdeckt hatte. Im Laufe seiner langen wissenschaftlichen Karriere reiste er nach Peru, in die Schweiz, nach Japan, Algerien und an andere Orte, um den Kosmos zu verstehen. Er entkam sogar 1870 in einem Heißluftballon aus Paris, als die Stadt während des französisch-preußischen Krieges belagert wurde. Er glaubte fest an seine Arbeit und schrieb einmal: „Das Studium des Lichts wird uns die physikalische Organisation des Weltsystems zeigen.“
Anmerkung der Redaktion, 4.9.18: In einer früheren Version dieses Artikels hieß es, Lockyer und Janssen seien gemeinsam für die Entdeckung des Heliums verantwortlich. Dies war ungenau, da das Element noch nicht erkannt worden war. Sie teilten sich das Verdienst für die Entdeckung einer neuen Möglichkeit zur Beobachtung der Sonne ohne Sonnenfinsternis. Der Artikel wurde geändert, um dies widerzuspiegeln.