“Jeg har oppnådd et av de fineste og minst forventede resultatene - stjerners spektra! - og vakre spektre med farger og fantastiske linjer. Bare et trinn til, og universets kjemiske sammensetning vil bli avslørt, ”skrev astrofysiker Pierre Jules César Janssen til sin kone fra et observatorium i Italia i desember 1862. Bevæpnet med dagens nyeste teknologi og observasjoner gjort av andre vestlige astrofysikere, Janssen var fast bestemt på å lytte til galaksens hemmeligheter.
18. august 1868 klarte Janssen å gjøre nettopp det. Han ble den første personen som observerte helium, et element som aldri før ble sett på jorden, i solspekteret. På den tiden visste Janssen imidlertid ikke hva han hadde sett - bare at det var noe nytt.
Midt på 1800-tallet var en spennende tid å kikke på himmelen. Et nytt instrument kalt et spektroskop økte astronomifeltet. Lignende i design som et teleskop, fungerte spektroskopet som et superdrevet prisme, og spredte lys i målbare bølgelengder. En tidlig modell hadde tillatt fysiker Joseph Fraunhofer å observere solen på begynnelsen av 1800-tallet, men han ble forundret over svarte streker som avbrøt de normale fargene. Disse svarte linjene ble oppkalt etter Fraunhofer, selv om han ikke forsto hva de var.
Denne kunnskapen ville komme flere tiår senere, med de tyske forskerne Gustav Kirchhoff og Robert Bunsen. I 1859 oppdaget Bunsen og Kirchoff at oppvarming av forskjellige elementer produserte klare lyslinjer i spektroskopet - og de lyslinjene tilsvarte noen ganger de mørke Fraunhofer-linjene.
Forskerne bestemte at de lyse linjene dukket opp da en varm gass ble brent. For eksempel forbrenner hydrogen oransje, men når det observeres gjennom et spektroskop, blir det tydelig at appelsinen består av flere individuelle smale bølgelengder av lys. Tilsvarende representerte de mørke linjene som Fraunhofer hadde oppdaget at lys ble absorbert av et kjøligere element ved solens overflate. "De to forskerne fant ut at hvert kjemisk element produserer et unikt spekter, " skriver American Institute of Physics. "Dette gir en slags 'fingeravtrykk' som kan bekrefte tilstedeværelsen av det kjemikaliet."
Ved å analysere emisjonsspektraene til spesifikke elementer i laboratoriet og deretter vri spektroskopene på stjernene, kunne forskere finne ut den kjemiske sammensetningen av alt fra solen vår til stjernene over galaksen.
Et spektroskop designet for å se på solen. (Wikimedia Commons) "Før spektroskopet ante du ikke hva solen var laget av, eller hvilke stjerner er laget av, " sier Deborah Warner, en kurator i divisjonen medisin og vitenskap ved National Museum of American History. ”Plutselig er det denne nesten magiske teknikken som du kan kjenne til elementene i disse fjerne kroppene. Nye elementer vises til høyre og venstre fordi du har dette nye verktøyet. ”
Janssen dytter ivrig inn i denne nye formen for lysanalyse. Selv om han bodde i Paris, reiste han over Europa og Asia på jakt etter optimale utsiktspunkter for å observere nattehimmelen. Han jaget også etter formørkelser, besøkte Italia i februar 1867 for deretter å reise helt til Guntur, India, for den totale solformørkelsen 18. august 1868. Den franske regjeringen og dets nasjonale akademiske vitenskapsakademi finansierte begge denne ekspedisjonen, sammen med den av en annen franskmann, som brukte mer enn 75 000 franc til de to reisene.
Men de høye kostnadene skulle vise seg å være en verdig investering. På formørkelsesdagen, bevæpnet med sitt spektroskop, så Janssen noe ekstraordinært: en lys gul linje hvis bølgelengde ikke stemte med noe kjent element. Spekteret kom nærmest mønsteret laget av natrium, men var distinkt nok til å fortjene sin egen kategori. Det virket som om Janssen hadde oppdaget et nytt element, et aldri før sett på jorden.
På samme tid avdekket Janssen en ny måte å observere solen uten behov for en formørkelse ved å bruke et modifisert omfang. Han sendte ord om alt dette til vitenskapsakademiet etter formørkelsen. Men omtrent på samme tid fikk akademiet ord fra den engelske astronomen Norman Lockyer om at han skjedde på en oppfinnelse som tillot ham å se på solen uten formørkelse, og at han hadde gjort en lignende observasjon. Når hver manns arbeid bekreftet den andres, var det vanskelig å tildele den endelige æren til noen av dem. Astronom Hervé Faye foreslo noe av et kompromiss: “I stedet for å prøve å proporsjonere verdien av funnet, og følgelig redusere det, ville det være bedre å tilskrive impartielt hele æren til begge disse vitenskapsmennene, som, adskilt av noen tusenvis på kilometer, har hver vært heldig nok til å nå det immaterielle og usynlige med en metode som sannsynligvis er det mest forbløffende som observasjonsgeniet noen gang har blitt unnfanget? ”
Den franske astrofysikeren Pierre Jules Janssen reiste over hele verden i et forsøk på å forstå kosmos, og var den første som så bølgelengdemønsteret til helium i sitt spektroskop. (Wikimedia Commons) De to forskerne ble hjertelig enige om å dele æren av oppdagelsen, og ble senere nære venner. Men selv med spenningen over deres observasjon, gjensto spørsmål. Viktigst blant dem: Hva hadde Janssen og Lockyer sett? Ikke alle forskere trodde observasjonen, ettersom Lockyer snart skulle lære. I et søk etter bevis for å sikkerhetskopiere påstanden om at han hadde bidratt til å oppdage et nytt element, dro Lockyer til den engelske kjemikeren Edward Frankland for å forsøke å gjengi bølgelengdemønsteret i laboratoriet. Frankland teoretiserte det kan være forårsaket av hydrogen under ekstrem temperatur og trykk, men de lyktes ikke i forsøkene på å gjenskape det.
Skepsisen over muligheten for et element som eksisterer i rommet, men ikke på Jorden, er kanskje ingen overraskelse, gitt at det var det første i sitt slag. Vitenskapshistorikere James L. Marshall og Virginia R. Marshall skriver, “Frankland, kanskje forsiktig på grunn av de mange feilaktige 'nyoppdagede elementene' som oppsto fra de høye oppløsningsspektre som nå er tilgjengelige, hevdet at han ikke ønsket å ha navnet sitt knyttet til dette det imaginære elementet, selv etter at Lockyer ble offentlig, og dukket det "Helium" etter det greske navnet på solen.
Ikke alle var så skeptiske. Den amerikanske forskeren John William Draper utviste funnet i 1876 i en adresse til det stiftelsesmøtet til American Chemical Society. ”Jeg ser ofte på den knallgule strålen som sendes ut fra kromosfæren av solen, av det ukjente elementet, helium, som astronomene har turt å kalle det. Det virker skjelvende av begeistring for å fortelle sin historie, og hvor mange usettede følgesvenner det har, ”sa Draper.
Spektroskopet gikk gjennom flere iterasjoner, og forskerne finjusterte ofte designet på egen hånd. (Wikimedia Commons) Det var først i 1882 at en fysiker så helium på jorden. Den italienske fysikeren Luigi Palmieri registrerte den gule spektrallinjen i dataene sine mens han analyserte lava fra Vesuv-fjellet. Oppdagelsen ble senere fulgt opp av eksperimenter utført på gassen av den skotske kjemikeren William Ramsay, og av 1895 kunne forskere definitivt si at helium fantes på jorden så vel som i solen. Ramsay fortsatte med å vise at helium var et produkt av det radioaktive forfallet av radium, og plasserte det i forhold til andre elementer på det periodiske systemet.
I dag er helium sannsynligvis mest kjent i dag som gassen som fyller bursdagballonger, men gassen tjener også viktige formål i medisinsk maskiner (som MR-skannere) så vel som i romfartøyer og strålingsmonitorer. Den brukes også i datamaskindeler, mikroskop, kollisjonsputer i biler, og den store hadron-kollideren som ble brukt i fysikkeksperimenter. Mange har bekymret mangelen på elementet, men en stor forekomst som finnes i Tanzania betyr at vi sannsynligvis er godt forsynt i noen tid.
Når det gjelder Janssen, hvilte han knapt på laurbærene etter å ha sett helium i solen. I løpet av sin lange vitenskapelige karriere reiste han til Peru, Sveits, Japan, Algerie og andre steder på jakt etter å forstå kosmos. Han slapp selv Paris i en varmluftsballong i 1870, da byen var under beleiring under den fransk-prøyssiske krigen. Han trodde inderlig på sitt arbeid, når han skrev: "Studiet av lys vil vise oss den fysiske organisasjonen av verdenssystemet."
Redaktørens notat, 4/4/18: En tidligere versjon av denne artikkelen uttalte at Lockyer og Janssen delte æren for funnet av helium. Dette var unøyaktig, siden elementet ennå ikke ble gjenkjent. De delte æren for at de oppdaget en ny måte å observere solen uten formørkelse. Artikkelen er endret for å gjenspeile dette.
