„Uzyskałem jeden z najwspanialszych i najmniej oczekiwanych wyników – widma gwiazd! – i to piękne widma z kolorami i wspaniałymi liniami. Jeszcze tylko jeden krok i skład chemiczny wszechświata zostanie ujawniony” – napisał astrofizyk Pierre Jules César Janssen do swojej żony z obserwatorium we Włoszech w grudniu 1862 roku. Uzbrojony w najnowszą technologię tamtych czasów i obserwacje innych zachodnich astrofizyków, Janssen był zdeterminowany, aby odkryć tajemnice galaktyki.
18 sierpnia 1868 roku Janssenowi udało się to zrobić. Stał się pierwszą osobą, która zaobserwowała hel, pierwiastek nigdy wcześniej nie widziany na Ziemi, w widmie słonecznym. W tamtym czasie Janssen nie wiedział jednak, co zobaczył – wiedział jedynie, że było to coś nowego.
Połowa XIX wieku była ekscytującym okresem do spoglądania w niebo. Nowy instrument, zwany spektroskopem, zmieniał oblicze astronomii. Spektroskop, podobny w budowie do teleskopu, działał jak super mocny pryzmat, rozpraszając światło na mierzalne długości fal. Wczesny model pozwolił fizykowi Josephowi Fraunhoferowi obserwować Słońce we wczesnych latach 1800, ale był on zdziwiony czarnymi liniami przerywającymi normalne kolory. Te czarne linie zostały nazwane dla Fraunhofera, mimo że nie rozumiał on, czym one są.
Ta wiedza przyszła kilkadziesiąt lat później, dzięki niemieckim badaczom Gustavowi Kirchhoffowi i Robertowi Bunsenowi. W 1859 roku Bunsen i Kirchoff odkryli, że podgrzewanie różnych pierwiastków powoduje powstawanie jasnych linii światła w spektroskopie – i te linie światła czasami odpowiadały ciemnym liniom Fraunhofera.
Naukowcy ustalili, że jasne linie pojawiały się, gdy gorący gaz był spalany. Na przykład, wodór spala się na pomarańczowo, ale kiedy obserwuje się go przez spektroskop, staje się jasne, że pomarańcz składa się z wielu pojedynczych wąskich fal światła. Podobnie, ciemne linie, które Fraunhofer odkrył, reprezentowały światło pochłaniane przez chłodniejszy element na powierzchni Słońca. „Dwaj naukowcy odkryli, że każdy pierwiastek chemiczny wytwarza unikalne widmo” – pisze Amerykański Instytut Fizyki. „Stanowi to rodzaj 'odcisku palca', który może potwierdzić obecność tego związku chemicznego.”
Analizując widma emisyjne określonych pierwiastków w laboratorium, a następnie kierując swoje spektroskopy na gwiazdy, badacze mogli określić skład chemiczny wszystkiego, od naszego Słońca po gwiazdy w całej galaktyce.
„Przed spektroskopem nie miałeś pojęcia z czego zbudowane jest słońce, ani z czego zbudowane są gwiazdy”, mówi Deborah Warner, kurator w dziale medycyny i nauki w Narodowym Muzeum Historii Ameryki. „Nagle pojawiła się ta niemal magiczna technika, dzięki której można poznać pierwiastki tych odległych ciał. Nowe elementy pojawiają się na prawo i lewo, ponieważ masz to nowe narzędzie.”
Janssen z zapałem zabrał się do tej nowej formy analizy światła. Choć mieszkał w Paryżu, podróżował po Europie i Azji w poszukiwaniu optymalnych punktów do obserwacji nocnego nieba. Odwiedził Włochy w lutym 1867 roku, a następnie udał się do Guntur w Indiach na całkowite zaćmienie Słońca 18 sierpnia 1868 roku. Francuski rząd i Narodowa Akademia Nauk sfinansowały tę wyprawę, wraz z wyprawą innego Francuza, wydając ponad 75 000 franków na obie podróże.
Ale wysokie koszty okazały się opłacalną inwestycją. W dniu zaćmienia, uzbrojony w swój spektroskop, Janssen zobaczył coś niezwykłego: jasną żółtą linię, której długość fali nie pasowała do żadnego znanego pierwiastka. Widmo było najbardziej zbliżone do wzoru tworzonego przez sód, ale było na tyle wyraźne, że zasługiwało na własną kategorię. Wyglądało na to, że Janssen odkrył nowy pierwiastek, taki, którego nigdy wcześniej nie widziano na Ziemi.
W tym samym czasie Janssen odkrył nowy sposób obserwacji Słońca bez potrzeby zaćmienia, używając zmodyfikowanej lunety. Po zaćmieniu wysłał wiadomość o tym wszystkim do Akademii Nauk. Ale mniej więcej w tym samym czasie Akademia otrzymała wiadomość od angielskiego astronoma Normana Lockyera, że natrafił on na wynalazek, który pozwolił mu obserwować Słońce bez zaćmienia, i dokonał podobnej obserwacji. Z pracą każdego człowieka potwierdzającą pracę drugiego, trudno było przyznać ostateczne zasługi któremuś z nich. Astronom Hervé Faye zasugerował coś w rodzaju kompromisu: „Zamiast próbować proporcjonalnie rozdzielić zasługi odkrycia, a w konsekwencji je pomniejszyć, czy nie lepiej byłoby przypisać bezstronnie cały honor obu tym ludziom nauki, którzy, oddzieleni od siebie o kilka tysięcy mil, mieli szczęście dotrzeć do tego, co niematerialne i niewidzialne, metodą, która jest prawdopodobnie najbardziej zdumiewającą, jaką kiedykolwiek wymyślił geniusz obserwacji?”
Dwaj badacze serdecznie zgodzili się dzielić zaszczytem odkrycia, a później zostali bliskimi przyjaciółmi. Ale nawet z podekscytowania ich obserwacji, pytania pozostały. Najważniejsze z nich: Co dokładnie widzieli Janssen i Lockyer? Nie wszyscy naukowcy uwierzyli w tę obserwację, o czym Lockyer miał się wkrótce przekonać. Szukając dowodu na poparcie tezy, że pomógł odkryć nowy pierwiastek, Lockyer udał się do angielskiego chemika Edwarda Franklanda, aby spróbować odtworzyć wzór fal w laboratorium. Frankland przypuszczał, że może to być spowodowane przez wodór w ekstremalnej temperaturze i ciśnieniu, ale ich próby odtworzenia tego wzoru nie powiodły się.
Sceptycyzm wobec możliwości istnienia pierwiastka w przestrzeni kosmicznej, ale nie na Ziemi, nie jest chyba zaskoczeniem, biorąc pod uwagę, że był to pierwszy tego typu obiekt. Historycy nauki James L. Marshall i Virginia R. Marshall piszą: „Frankland, być może ostrożny z powodu wielu błędnych „nowo odkrytych pierwiastków” wynikających z dostępnego obecnie widma o wysokiej rozdzielczości, utrzymywał, że nie chce, aby jego nazwisko było kojarzone z tym wyimaginowanym pierwiastkiem”, nawet po tym, jak Lockyer podał go do publicznej wiadomości, nazywając „helem”, po greckiej nazwie słońca.
Nie wszyscy byli tak sceptyczni. Amerykański naukowiec John William Draper wychwalał odkrycie w 1876 roku w przemówieniu na spotkaniu inauguracyjnym Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. „Często patrzę na jasny, żółty promień emitowany z chromosfery Słońca przez ten nieznany pierwiastek, hel, jak astronomowie odważyli się go nazwać. Wydaje się drżeć z podniecenia, że chce opowiedzieć swoją historię i jak wielu ma niewidzialnych towarzyszy” – powiedział Draper.
Dopiero w 1882 roku fizyk zauważył hel na Ziemi. Włoski fizyk Luigi Palmieri zarejestrował żółtą linię widmową w swoich danych podczas analizy lawy z Wezuwiusza. Odkrycie to zostało później uzupełnione eksperymentami szkockiego chemika Williama Ramsaya, a w 1895 r. naukowcy mogli już ostatecznie stwierdzić, że hel istnieje zarówno na Ziemi, jak i na Słońcu. Ramsay wykazał, że hel jest produktem radioaktywnego rozpadu radu, i umieścił go w stosunku do innych pierwiastków w układzie okresowym.
Dzisiaj hel jest prawdopodobnie najbardziej znany jako gaz, który wypełnia balony urodzinowe, ale służy on również do ważnych celów w maszynach medycznych (takich jak skanery MRI), jak również w statkach kosmicznych i monitorach promieniowania. Jest on również wykorzystywany w częściach komputerowych, mikroskopach, poduszkach powietrznych w samochodach oraz w wielkim zderzaczu hadronów wykorzystywanym w eksperymentach fizycznych. Wielu martwiło się o niedobory tego pierwiastka, ale duże złoża znalezione w Tanzanii oznaczają, że prawdopodobnie jesteśmy dobrze zaopatrzeni przez jakiś czas.
Janssen nie spoczął na laurach po odkryciu helu na słońcu. W trakcie swojej długiej kariery naukowej, podróżował do Peru, Szwajcarii, Japonii, Algierii i innych miejsc w poszukiwaniu zrozumienia kosmosu. Uciekł nawet z Paryża balonem na gorące powietrze w 1870 r., kiedy miasto było oblężone podczas wojny francusko-pruskiej. Gorąco wierzył w swoją pracę, pisząc kiedyś: „Badanie światła pokaże nam fizyczną organizację systemu świata.”
Nota redaktora, 9/4/18: Poprzednia wersja tego artykułu podawała, że Lockyer i Janssen podzielili się zasługami za odkrycie helu. Było to niedokładne, ponieważ element ten nie został jeszcze rozpoznany. Dzielili się zasługami za odkrycie nowego sposobu obserwowania słońca bez zaćmienia. Artykuł został zmodyfikowany, aby to odzwierciedlić.