“Ik heb een van de beste en minst verwachte resultaten verkregen - Spectra van de sterren! - en prachtige spectra met kleuren en prachtige lijnen. Nog een stap en de chemische samenstelling van het universum zal worden onthuld, 'schreef astrofysicus Pierre Jules Cesar Janssen tegen zijn vrouw vanuit een observatorium in Italië in december 1862. Gewapend met de nieuwste technologie van de dag en observaties van andere westerse astrofysici, Janssen was vastbesloten om de geheimen van de Melkweg los te wrikken.
Op 18 augustus 1868 slaagde Janssen erin dat te doen. Hij werd de eerste persoon die helium observeerde, een element dat nog nooit eerder op aarde was gezien, in het zonnespectrum. In die tijd wist Janssen echter niet wat hij had gezien - alleen dat het iets nieuws was.
Het midden van de 19e eeuw was een spannende tijd om naar de hemel te kijken. Een nieuw instrument dat een spectroscoop werd genoemd, richtte het veld van de astronomie op. Vergelijkbaar in ontwerp met een telescoop, de spectroscoop werkte als een superkrachtig prisma en verspreidde licht in meetbare golflengten. Een vroeg model had natuurkundige Joseph Fraunhofer in staat gesteld om de zon in het begin van de 19e eeuw te observeren, maar hij verbaasde zich over zwarte lijnen die de normale kleuren onderbraken. Deze zwarte lijnen waren vernoemd naar Fraunhofer, hoewel hij niet begreep wat ze waren.
Die kennis zou enkele decennia later komen, met de Duitse onderzoekers Gustav Kirchhoff en Robert Bunsen. In 1859 ontdekten Bunsen en Kirchoff dat het verwarmen van verschillende elementen heldere lichtlijnen in de spectroscoop produceerde - en die lichtlijnen kwamen soms overeen met de donkere Fraunhofer-lijnen.
De wetenschappers bepaalden dat de heldere lijnen verschenen wanneer een heet gas werd verbrand. Bijvoorbeeld, waterstof brandt oranje, maar wanneer waargenomen door een spectroscoop, wordt het duidelijk dat de sinaasappel bestaat uit meerdere afzonderlijke smalle golflengten van licht. Evenzo vertegenwoordigden de donkere lijnen die Fraunhofer had ontdekt, dat licht 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. "Dit levert een soort" vingerafdruk "op die de aanwezigheid van die chemische stof kan bevestigen."
Door de emissiespectra van specifieke elementen in het laboratorium te analyseren en vervolgens hun spectroscopen op de sterren te richten, konden onderzoekers de chemische samenstelling van alles van onze zon tot de sterren in de melkweg onderscheiden.
Een spectroscoop ontworpen om naar de zon te kijken. (Wikimedia Commons) "Voor de spectroscoop had je geen idee waar de zon van was gemaakt of van welke sterren", zegt Deborah Warner, curator van de afdeling geneeskunde en wetenschap van het National Museum of American History. “Plots is er deze bijna magische techniek waarmee je de elementen van deze verre lichamen kunt leren kennen. Nieuwe elementen verschijnen rechts en links omdat je deze nieuwe tool hebt. "
Janssen dook gretig in 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 achtervolgde ook eclipsen, bezocht Italië in februari 1867 en ging vervolgens 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 dat van een andere Fransman, die meer dan 75.000 frank voor de twee reizen uitgeeft.
Maar de hoge kosten zouden een waardige investering blijken te zijn. Op de dag van de zonsverduistering zag Janssen, gewapend met zijn spectroscoop, iets bijzonders: een felgele lijn waarvan de golflengte niet overeenkwam met enig bekend element. Het spectrum kwam het dichtst bij het patroon van natrium, maar was duidelijk genoeg om zijn eigen categorie te verdienen. Het leek erop dat Janssen een nieuw element had ontdekt, een element dat nog nooit eerder op aarde was gezien.
Tegelijkertijd ontdekte Janssen een nieuwe manier om de zon te observeren zonder een eclips te gebruiken, met behulp van een aangepaste scope. Na de eclips stuurde hij dit alles naar de Academie van Wetenschappen. Maar rond diezelfde tijd ontving de Academie van de Engelse astronoom Norman Lockyer dat hij een uitvinding had ontdekt waardoor hij zonder de zonsverduistering naar de zon kon kijken en een soortgelijke observatie had gedaan. Omdat het werk van elke man de ander bevestigde, was het moeilijk om een definitief krediet aan beide toe te kennen. Astronoom Hervé Faye suggereerde iets van een compromis: “In plaats van te proberen de verdienste van de ontdekking in verhouding te stellen, en bijgevolg te verminderen, zou het beter zijn om de hele eer onpartijdig toe te schrijven aan deze beide wetenschappers, die, gescheiden door enkele duizenden mijlen, zijn ze gelukkig genoeg geweest om het immateriële en onzichtbare te bereiken met een methode die waarschijnlijk de meest verbazingwekkende is die het genie van observatie ooit heeft bedacht? '
De Franse astrofysicus Pierre Jules Janssen reisde de wereld over in een poging de kosmos te begrijpen en was de eerste die het golflengtepatroon van helium in zijn spectroscoop zag. (Wikimedia Commons) De twee onderzoekers stemden van harte in om de eer van ontdekking te delen en werden later goede vrienden. Maar zelfs met de opwinding van hun observatie bleven er vragen. De belangrijkste onder hen: wat hadden Janssen en Lockyer precies gezien? Niet alle wetenschappers geloofden de observatie, zoals Lockyer spoedig zou leren. Op zoek naar bewijs om de bewering te ondersteunen dat hij had geholpen een nieuw element te ontdekken, ging Lockyer naar de Engelse scheikundige Edward Frankland om te proberen het golflengtepatroon in het laboratorium te reproduceren. Frankland theoretiseerde dat het mogelijk wordt veroorzaakt door waterstof onder extreme temperatuur en druk, maar ze waren niet succesvol in hun pogingen om het opnieuw te maken.
De scepsis over de mogelijkheid dat een element in de ruimte bestaat maar niet op aarde, is misschien geen verrassing, aangezien het de eerste in zijn soort was. Wetenschapshistorici James L. Marshall en Virginia R. Marshall schrijven: 'Frankland, misschien voorzichtig vanwege de vele foutieve' nieuw ontdekte elementen 'die voortkomen uit de nu beschikbare hoge-resolutiespectra, beweerden dat hij zijn naam hier niet mee wilde associëren denkbeeldig element, 'zelfs nadat Lockyer openbaar werd gemaakt en het' 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 tot de inaugurele bijeenkomst van de American Chemical Society. “Ik kijk vaak naar de felgele straal die wordt uitgestraald door de chromosfeer van de zon, door 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.
De spectroscoop heeft meerdere iteraties ondergaan en de wetenschappers hebben vaak het ontwerp zelf aangepast. (Wikimedia Commons) Pas in 1882 zag een natuurkundige helium op aarde. De Italiaanse natuurkundige Luigi Palmieri nam de gele spectrale lijn op in zijn gegevens tijdens het analyseren van lava uit de Vesuvius. Die ontdekking werd later gevolgd door experimenten op het gas door de Schotse chemicus William Ramsay, en door 1895 onderzoekers konden definitief zeggen dat helium zowel op aarde als in de zon bestond. Ramsay liet verder zien dat helium een product was van het radioactieve verval van radium en plaatste het in relatie tot andere elementen op het periodiek systeem.
Vandaag de dag is helium vandaag waarschijnlijk het best bekend als het gas dat verjaardagsballonnen vult, maar het gas dient ook belangrijke doeleinden in medische machines (zoals MRI-scanners), maar ook in ruimtevaartuigen en stralingsmonitoren. Het wordt ook gebruikt in computeronderdelen, microscopen, airbags in auto's en de grote hadron-botser die wordt gebruikt in fysica-experimenten. Veel mensen maken zich zorgen over tekorten aan het element, maar een grote aanbetaling in Tanzania betekent dat we waarschijnlijk al geruime tijd goed bevoorraad zijn.
Wat Janssen betreft, hij rustte nauwelijks op zijn lauweren nadat hij helium in de zon zag. 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 uit Parijs in een luchtballon in 1870, toen de stad belegerd werd tijdens de Frans-Pruisische oorlog. Hij geloofde vurig in zijn werk, toen hij schreef: "De studie van licht zal ons de fysieke organisatie van het systeem van de wereld laten zien."
Noot van de redactie, 9/4/18: een eerdere versie van dit artikel verklaarde dat Lockyer en Janssen de eer hadden voor de ontdekking van helium. Dit was onnauwkeurig, omdat het element nog moest worden herkend. Ze deelden eer voor het ontdekken van een nieuwe manier om de zon te observeren zonder een eclips. Het artikel is aangepast om dit weer te geven.
