“Ik heb een van de mooiste en minst verwachte resultaten verkregen – spectra van de sterren! – en prachtige spectra met kleuren en prachtige lijnen. Nog één stap en de chemische samenstelling van het heelal zal worden onthuld,” schreef de astrofysicus Pierre Jules César Janssen in december 1862 aan zijn vrouw vanuit een observatorium in Italië. Gewapend met de nieuwste technologie van die tijd en observaties van andere westerse astrofysici, was Janssen vastbesloten om de geheimen van het heelal te ontsluieren.
Op 18 augustus 1868 slaagde Janssen daar precies in. Hij werd de eerste persoon die helium, een element dat nog nooit eerder op aarde was gezien, waarnam in het zonnespectrum. Op dat moment wist Janssen echter niet wat hij had gezien – hij wist alleen dat het iets nieuws was.
Het midden van de 18e eeuw was een opwindende tijd om naar de hemel te kijken. Een nieuw instrument, de spectroscoop, was bezig de astronomie op zijn kop te zetten. De spectroscoop, die qua ontwerp lijkt op een telescoop, werkt als een superkrachtig prisma dat licht in meetbare golflengtes verdeelt. Een vroeg model had de natuurkundige Joseph Fraunhofer begin 1800 in staat gesteld de zon te observeren, maar hij was verbaasd over zwarte lijnen die de normale kleuren onderbraken. Deze zwarte lijnen werden naar Fraunhofer genoemd, ook al begreep hij niet wat ze waren.
Die kennis zou enkele decennia later komen, bij de Duitse onderzoekers Gustav Kirchhoff en Robert Bunsen. In 1859 ontdekten Bunsen en Kirchoff dat het verhitten van verschillende elementen heldere lichtlijnen in de spectroscoop opleverde – en die lichtlijnen kwamen soms overeen met de donkere Fraunhofer-lijnen.
De wetenschappers stelden vast dat de heldere lijnen verschenen wanneer een heet gas werd verbrand. Waterstof brandt bijvoorbeeld oranje, maar wanneer je het door een spectroscoop bekijkt, wordt duidelijk dat het oranje is opgebouwd uit meerdere afzonderlijke smalle golflengten van licht. Op dezelfde manier stelden de donkere lijnen die Fraunhofer had ontdekt, licht voor dat werd geabsorbeerd door een koeler element aan het oppervlak van de zon. “De twee wetenschappers ontdekten dat elk chemisch element een uniek spectrum produceert,” schrijft het American Institute of Physics. “
Door de emissiespectra van specifieke elementen in het lab te analyseren en vervolgens hun spectroscopen op de sterren te richten, konden de onderzoekers de chemische samenstelling achterhalen van alles, van onze zon tot de sterren in de Melkweg.
“Vóór de spectroscoop had je geen idee waar de zon van gemaakt was, of waar sterren van gemaakt zijn,” zegt Deborah Warner, een conservator op de afdeling geneeskunde en wetenschap van het National Museum of American History. “Plotseling is er een bijna magische techniek waarmee je de elementen van deze verre lichamen kunt kennen. Nieuwe elementen duiken links en rechts op omdat je dit nieuwe gereedschap hebt.”
Janssen stortte zich gretig op deze nieuwe vorm van lichtanalyse. Hoewel hij in Parijs woonde, reisde hij door Europa en Azië op zoek naar optimale uitkijkpunten voor het observeren van de nachtelijke hemel. Hij ging ook op zoek naar verduisteringen, bezocht Italië in februari 1867 en reisde helemaal naar Guntur, India, voor de totale zonsverduistering van 18 augustus 1868. De Franse regering en haar nationale Academie van Wetenschappen financierden deze expeditie, samen met die van een andere Fransman, en gaven meer dan 75.000 francs uit voor de twee reizen.
Maar de hoge kosten zouden een waardige investering blijken. Op de dag van de eclips zag Janssen, gewapend met zijn spectroscoop, iets buitengewoons: een heldere gele lijn waarvan de golflengte met geen enkel bekend element overeenkwam. Het spectrum kwam het dichtst bij het patroon van natrium, maar was duidelijk genoeg om een eigen categorie te verdienen. Het leek erop dat Janssen een nieuw element had ontdekt, een element dat nog nooit eerder op aarde was gezien.
Op hetzelfde moment ontdekte Janssen een nieuwe manier om de zon waar te nemen zonder dat daarvoor een eclips nodig was, met behulp van een aangepaste kijker. Hij stuurde dit alles na de eclips naar de Academie van Wetenschappen. Maar rond dezelfde tijd ontving de Academie bericht van de Engelse astronoom Norman Lockyer dat hij een uitvinding had gedaan die hem in staat stelde de zon te zien zonder verduistering, en dat hij een soortgelijke waarneming had gedaan. Omdat het werk van de ene man het werk van de andere bevestigde, was het moeilijk om aan een van beiden de definitieve eer toe te kennen. Astronoom Hervé Faye stelde een soort compromis voor: “In plaats van de verdienste van de ontdekking te relativeren en daardoor te verminderen, zou het niet beter zijn de eer onpartijdig toe te kennen aan deze beide mannen van wetenschap, die, gescheiden door enkele duizenden mijlen, elk het geluk hebben gehad het ongrijpbare en onzichtbare te bereiken met een methode die waarschijnlijk de meest verbazingwekkende is die het genie van de waarneming ooit heeft bedacht?”
De twee onderzoekers waren het er van harte mee eens om de eer van de ontdekking te delen, en werden later goede vrienden. Maar zelfs met de opwinding van hun observatie, bleven er vragen. De belangrijkste daarvan waren: Wat hadden Janssen en Lockyer precies gezien? Niet alle wetenschappers geloofden de waarneming, zoals Lockyer al snel zou leren. Op zoek naar bewijs voor de bewering dat hij een nieuw element had helpen ontdekken, ging Lockyer naar de Engelse chemicus Edward Frankland om te proberen het golflengtepatroon in het lab te reproduceren. Frankland theoretiseerde dat het veroorzaakt zou kunnen zijn door waterstof onder extreme temperatuur en druk, maar ze waren niet succesvol in hun pogingen om het te reproduceren.
Het scepticisme over de mogelijkheid van een element dat wel in de ruimte bestaat maar niet op aarde is misschien geen verrassing, gezien het feit dat het de eerste in zijn soort was. De wetenschapshistorici James L. Marshall en Virginia R. Marshall schrijven: “Frankland, misschien voorzichtig vanwege de vele foutieve ‘nieuw ontdekte elementen’ die voortkwamen uit de spectra met hoge resolutie die nu beschikbaar waren, hield vol dat hij zijn naam niet in verband wilde brengen met dit denkbeeldige element,” zelfs niet nadat Lockyer bekend maakte dat hij het element ‘Helium’ noemde, naar de Griekse naam voor de zon.
Niet iedereen was zo sceptisch. De Amerikaanse wetenschapper John William Draper prees de ontdekking in 1876 in een toespraak voor de oprichtingsvergadering van de American Chemical Society. “Ik kijk vaak naar de heldergele straal die uit de chromosfeer van de zon komt, van dat onbekende element, helium, zoals de astronomen het hebben durven noemen. Het lijkt te trillen van opwinding om zijn verhaal te vertellen, en hoeveel ongeziene metgezellen het heeft,” zei Draper.
Er was pas in 1882 een natuurkundige die helium op aarde ontdekte. De Italiaanse natuurkundige Luigi Palmieri registreerde de gele spectraallijn in zijn gegevens tijdens het analyseren van lava van de Vesuviusberg. Die ontdekking werd later gevolgd door experimenten met het gas door de Schotse chemicus William Ramsay, en in 1895 konden onderzoekers definitief zeggen dat helium zowel op aarde als in de zon bestond. Ramsay toonde verder aan dat helium een product was van het radioactieve verval van radium, en plaatste het in relatie tot andere elementen op het periodiek systeem.
Heden ten dage is helium waarschijnlijk het bekendst als het gas waarmee verjaardagsballonnen worden gevuld, maar het gas dient ook belangrijke toepassingen in medische machines (zoals MRI-scanners) en in ruimtevaartuigen en stralingsmonitoren. Het wordt ook gebruikt in computeronderdelen, microscopen, airbags in auto’s, en de grote hadron collider die bij natuurkundige experimenten wordt gebruikt. Velen hebben zich zorgen gemaakt over tekorten aan het element, maar een grote voorraad die in Tanzania is gevonden, betekent dat we waarschijnlijk voor enige tijd goed voorzien zijn.
En Janssen kon niet op zijn lauweren rusten nadat hij helium in de zon had ontdekt. In de loop van zijn lange wetenschappelijke carrière reisde hij naar Peru, Zwitserland, Japan, Algerije en elders in zijn zoektocht om de kosmos te begrijpen. Hij ontsnapte zelfs aan Parijs in een heteluchtballon in 1870, toen de stad belegerd werd tijdens de Frans-Pruisische oorlog. Hij geloofde heilig in zijn werk en schreef ooit: “De studie van het licht zal ons de fysieke organisatie van het systeem van de wereld laten zien.”
Opmerking van de redacteur, 9/4/18: In een eerdere versie van dit artikel stond dat Lockyer en Janssen de eer deelden voor de ontdekking van helium. Dit was onjuist, omdat het element nog moest worden erkend. Ze deelden de eer voor de ontdekking van een nieuwe manier om de zon waar te nemen zonder een eclips. Het artikel is in die zin aangepast.