« J’ai obtenu un des résultats les plus beaux et les moins attendus-Spectre des étoiles !-et de beaux spectres avec des couleurs et des lignes magnifiques. Encore un pas et la composition chimique de l’univers sera révélée », écrivait l’astrophysicien Pierre Jules César Janssen à sa femme depuis un observatoire en Italie en décembre 1862. Armé des dernières technologies de l’époque et des observations réalisées par d’autres astrophysiciens occidentaux, Janssen était déterminé à percer les secrets de la galaxie.
Le 18 août 1868, Janssen y est parvenu. Il est devenu la première personne à observer l’hélium, un élément jamais vu sur Terre, dans le spectre solaire. À l’époque, cependant, Janssen ne savait pas ce qu’il avait vu – juste que c’était quelque chose de nouveau.
Le milieu des années 1800 était une période passionnante pour scruter les cieux. Un nouvel instrument appelé spectroscope bouleversait le domaine de l’astronomie. De conception similaire à un télescope, le spectroscope fonctionnait comme un prisme surpuissant, dispersant la lumière en longueurs d’onde mesurables. Un premier modèle avait permis au physicien Joseph Fraunhofer d’observer le soleil au début des années 1800, mais il était dérouté par les lignes noires qui interrompaient les couleurs normales. Ces lignes noires ont été nommées pour Fraunhofer, même s’il ne comprenait pas ce qu’elles étaient.
Cette connaissance viendra plusieurs décennies plus tard, avec les chercheurs allemands Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen. En 1859, Bunsen et Kirchoff ont découvert que le chauffage de différents éléments produisait des lignes de lumière brillantes dans le spectroscope – et ces lignes de lumière correspondaient parfois aux lignes sombres de Fraunhofer.
Les scientifiques ont déterminé que les lignes brillantes apparaissaient lorsqu’un gaz chaud était brûlé. Par exemple, l’hydrogène brûle en orange, mais lorsqu’on l’observe au spectroscope, il devient clair que l’orange est constitué de multiples longueurs d’onde étroites individuelles de lumière. De même, les lignes sombres que Fraunhofer avait découvertes représentaient la lumière absorbée par un élément plus froid à la surface du soleil. « Les deux scientifiques ont découvert que chaque élément chimique produit un spectre unique », écrit l’American Institute of Physics. « Cela fournit une sorte d' »empreinte digitale » qui peut confirmer la présence de cet élément chimique. »
En analysant les spectres d’émission d’éléments spécifiques en laboratoire, puis en tournant leurs spectroscopes sur les étoiles, les chercheurs ont pu distinguer la composition chimique de tout, de notre soleil aux étoiles de la galaxie.
« Avant le spectroscope, vous n’aviez aucune idée de quoi était fait le soleil, ou de quoi étaient faites les étoiles », explique Deborah Warner, conservatrice de la division de la médecine et des sciences au National Museum of American History. « Tout d’un coup, il y a cette technique presque magique qui permet de connaître les éléments de ces corps lointains. De nouveaux éléments apparaissent à droite et à gauche parce que vous avez ce nouvel outil. »
Janssen a plongé avec enthousiasme dans cette nouvelle forme d’analyse de la lumière. Bien qu’il ait vécu à Paris, il a voyagé à travers l’Europe et l’Asie à la recherche de points de vue optimaux pour observer le ciel nocturne. Il courait également après les éclipses, visitant l’Italie en février 1867, puis se rendant jusqu’à Guntur, en Inde, pour l’éclipse totale de soleil du 18 août 1868. Le gouvernement français et son Académie nationale des sciences ont tous deux financé cette expédition, ainsi que celle d’un autre Français, dépensant plus de 75 000 francs pour les deux voyages.
Mais ce coût élevé allait se révéler un investissement rentable. Le jour de l’éclipse, armé de son spectroscope, Janssen a vu quelque chose d’extraordinaire : une ligne jaune vif dont la longueur d’onde ne correspondait à aucun élément connu. Le spectre se rapprochait le plus du motif produit par le sodium, mais était suffisamment distinct pour mériter sa propre catégorie. Il semblait que Janssen avait découvert un nouvel élément, un élément jamais vu sur Terre.
Au même moment, Janssen a découvert une nouvelle façon d’observer le soleil sans avoir besoin d’une éclipse, en utilisant une lunette modifiée. Il a envoyé un mot de tout cela à l’Académie des sciences après l’éclipse. Mais à peu près au même moment, l’Académie a reçu un message de l’astronome anglais Norman Lockyer, qui avait découvert une invention lui permettant d’observer le soleil sans éclipse, et avait fait une observation similaire. Les travaux de chaque homme confirmant ceux de l’autre, il était difficile d’en attribuer le mérite définitif à l’un ou l’autre. L’astronome Hervé Faye suggéra une sorte de compromis : » Au lieu de chercher à proportionner le mérite de la découverte, et par conséquent de le diminuer, ne vaudrait-il pas mieux attribuer impartialement tout l’honneur à ces deux hommes de science, qui, séparés par quelques milliers de kilomètres, ont eu chacun le bonheur d’atteindre l’intangible et l’invisible par une méthode qui est probablement la plus étonnante que le génie de l’observation ait jamais conçue ? »
Les deux chercheurs ont accepté de bon cœur de partager l’honneur de la découverte, et sont devenus par la suite des amis proches. Mais même avec l’excitation de leur observation, des questions subsistaient. La plus importante d’entre elles : Qu’avaient exactement vu Janssen et Lockyer ? Tous les scientifiques ne croient pas à leur observation, comme Lockyer va bientôt l’apprendre. En quête de preuves pour étayer l’affirmation selon laquelle il avait contribué à la découverte d’un nouvel élément, Lockyer s’est adressé au chimiste anglais Edward Frankland pour tenter de reproduire le modèle de longueur d’onde en laboratoire. Frankland a émis la théorie qu’il pourrait être causé par l’hydrogène soumis à une température et une pression extrêmes, mais ils n’ont pas réussi à le recréer.
Le scepticisme concernant la possibilité qu’un élément existe dans l’espace mais pas sur Terre n’est peut-être pas surprenant, étant donné qu’il s’agissait du premier de son genre. Les historiens des sciences James L. Marshall et Virginia R. Marshall écrivent : » Frankland, peut-être prudent en raison des nombreux « éléments nouvellement découverts » erronés découlant des spectres à haute résolution désormais disponibles, a maintenu qu’il ne voulait pas que son nom soit associé à cet élément imaginaire « , même après que Lockyer l’ait rendu public en le surnommant » Hélium « , d’après le nom grec du soleil.
Tout le monde n’était pas aussi sceptique. Le scientifique américain John William Draper a vanté la découverte en 1876 dans un discours prononcé lors de la réunion inaugurale de l’American Chemical Society. « Je regarde souvent le rayon jaune vif émis par la chromosphère du soleil, par cet élément inconnu, l’hélium, comme les astronomes se sont aventurés à l’appeler. Il semble trembler d’excitation à l’idée de raconter son histoire, et combien de compagnons invisibles il a « , a déclaré Draper.
Il faut attendre 1882 pour qu’un physicien repère de l’hélium sur Terre. Le physicien italien Luigi Palmieri a enregistré la ligne spectrale jaune dans ses données alors qu’il analysait la lave du mont Vésuve. Cette découverte a ensuite été suivie d’expériences menées sur le gaz par le chimiste écossais William Ramsay, et en 1895, les chercheurs ont pu affirmer définitivement que l’hélium existait sur Terre ainsi que dans le soleil. Ramsay a ensuite montré que l’hélium était un produit de la désintégration radioactive du radium, et l’a placé par rapport aux autres éléments du tableau périodique.
Aujourd’hui, l’hélium est probablement plus connu comme le gaz qui remplit les ballons d’anniversaire, mais le gaz sert également à des fins importantes dans les machines médicales (comme les scanners IRM) ainsi que dans les vaisseaux spatiaux et les moniteurs de rayonnement. Il est également utilisé dans les pièces d’ordinateur, les microscopes, les sacs gonflables des voitures et le grand collisionneur de hadrons utilisé dans les expériences de physique. Beaucoup se sont inquiétés des pénuries de cet élément, mais un important gisement découvert en Tanzanie signifie que nous sommes probablement bien approvisionnés pour un certain temps.
Pour ce qui est de Janssen, il ne s’est guère reposé sur ses lauriers après avoir repéré l’hélium dans le soleil. Au cours de sa longue carrière scientifique, il a voyagé au Pérou, en Suisse, au Japon, en Algérie et ailleurs dans sa quête de compréhension du cosmos. Il s’est même échappé de Paris dans une montgolfière en 1870, alors que la ville était assiégée pendant la guerre franco-prussienne. Il croyait ardemment en son travail, écrivant un jour : » L’étude de la lumière nous montrera l’organisation physique du système du monde. «
Note de la rédaction, 9/4/18 : Une version précédente de cet article indiquait que Lockyer et Janssen partageaient le crédit de la découverte de l’hélium. C’était inexact, car l’élément n’avait pas encore été reconnu. Ils ont partagé le mérite de la découverte d’une nouvelle façon d’observer le soleil sans éclipse. L’article a été modifié pour refléter cela.