L’astronome français Pierre Janssen découvre l’hélium dans le spectre solaire
Un astronome français repère un élément inconnu, maintenant connu sous le nom d’hélium, dans le spectre du soleil lors d’une éclipse totale très attendue. L’événement marque la première découverte d’un élément « extraterrestre », car l’hélium n’avait pas encore été trouvé sur Terre. Les astronomes attendaient avec impatience une éclipse solaire totale depuis 1859, lorsque le physicien allemand Gustav Kirchhoff a compris comment utiliser l’analyse de la lumière pour déduire la composition chimique du soleil et des étoiles. Les scientifiques voulaient étudier les flammes rouge vif qui semblaient jaillir du soleil, connues maintenant pour être des nuages de gaz denses appelés proéminences solaires. Mais jusqu’en 1868, ils pensaient que le spectre du soleil ne pouvait être observé que pendant une éclipse.
L’astronome français Pierre Jules César Janssen (1824-1907) a campé à Guntoor, en Inde, pour regarder la lune passer devant le soleil et révéler les proéminences solaires. Comme d’autres observateurs du soleil ce matin-là, Janssen a découvert que les proéminences étaient principalement constituées d’hydrogène gazeux super chaud. Mais il a également remarqué quelque chose de plus : à l’aide d’un instrument à prisme spécial appelé spectroscope, il a déterminé que la ligne de lumière jaune que tout le monde avait supposée être du sodium ne correspondait à la longueur d’onde d’aucun élément connu.
Janssen voulait continuer à étudier la ligne mystérieuse, et il était tellement impressionné par la luminosité des lignes d’émission du soleil qu’il était sûr qu’elles pourraient être vues sans éclipse, s’il pouvait juste comprendre comment bloquer d’autres longueurs d’onde de lumière visible. Travaillant fébrilement au cours des semaines suivantes, Janssen a construit le premier « spectrohélioscope », un appareil spécialement conçu pour examiner le spectre du soleil.
À l’insu de Janssen, un deuxième scientifique travaillait également sur le même problème à 5 000 milles de là. L’astronome anglais Joseph Norman Lockyer a réussi à observer les proéminences solaires à la lumière du jour en octobre 1868. Dans une étonnante synchronicité scientifique, les articles des deux scientifiques sont arrivés à l’Académie française des sciences le même jour, et aujourd’hui les deux hommes sont crédités de la première observation d’hélium.À l’époque, cependant, Lockyer et Janssen ont été ridiculisés plutôt que récompensés pour leur découverte. D’autres scientifiques n’ont pas cru le récit des astronomes d’un nouvel élément… jusqu’à 30 ans plus tard, lorsque le chimiste écossais William Ramsay a découvert un gaz terrestre déconcertant caché dans un morceau de minerai d’uranium.
Ramsay a envoyé l’échantillon à Lockyer pour confirmation. Le scientifique a été ravi par « l’éclat jaune glorieux » de l’élément, qu’il a décrit dans les Actes de la Royal Society de Londres en 1895. Finalement justifiés, Janssen et Lockyer ont été honorés par le gouvernement français d’une médaille d’or portant leurs deux visages.
Bien qu’il soit le deuxième élément le plus abondant dans l’univers observable, l’hélium est relativement rare sur Terre, le produit de la désintégration radioactive d’éléments comme l’uranium. En fait, il est si rare que l’hélium n’ait été découvert qu’en 1868, grâce aux efforts de deux scientifiques en particulier, l’un en Angleterre, et l’autre en France. En 1859, Gustav Kirchhoff réalisa qu’il était possible de déduire la composition chimique du soleil et d’autres étoiles en analysant les spectres de la lumière qu’ils émettent. Kirchhoff a utilisé cette méthode pour découvrir le césium et le rubidium. Les astronomes étaient particulièrement intéressés par l’étude des proéminences solaires : des éclats colorés semblables à des flammes maintenant connues pour être des nuages chauds de gaz dense. Selon les scientifiques, la meilleure façon de faire de telles observations était pendant une éclipse solaire.
Né à Paris, Pierre Janssen est victime d’un accident dans son enfance qui le laisse définitivement boiteux. Il étudia les mathématiques et la physique à l’Université de Paris, pour y devenir professeur d’architecture en 1865. Mais ses intérêts s’étendaient bien au-delà de cette spécialité et il se trouva impliqué dans de nombreuses expéditions scientifiques liées à l’astronomie et à la géophysique. Par exemple, il s’est rendu au Pérou pour étudier l’équateur magnétique, et en Italie et en Suisse pour étudier le spectre solaire.
En 1868, Janssen se rendit à Guntur, en Inde, pour observer l’éclipse solaire. Il s’est concentré sur les proéminences solaires et a conclu qu’elles comprennent principalement de l’hydrogène gazeux, chauffé à des températures extrêmement élevées. Mais le 18 août, lorsqu’il a observé le spectre du soleil à travers son spectroscope, il a remarqué que la longueur d’onde de la ligne jaune censée indiquer la présence de sodium ne correspondait pas réellement à la longueur d’onde de cet élément. En fait, il ne correspondait à la longueur d’onde d’aucun élément connu à ce jour. La ligne était suffisamment brillante, pensa-t-il, pour être visible même sans l’aide d’une éclipse, à condition qu’un moyen puisse être trouvé pour filtrer tout sauf cette longueur d’onde de lumière visible. C’est ainsi qu’il en est venu à inventer le spectrohélioscope pour mieux analyser le spectre solaire.
A quelque 5 000 milles de là, le 20 octobre 1868, l’astronome anglais Joseph Norman Lockyer réussit lui aussi à observer les proéminences solaires en plein jour. Son article détaillant ces observations est arrivé à l’Académie française des sciences le même jour que l’article de Janssen, de sorte que les deux hommes ont reçu le mérite de la découverte de l’hélium.
Au départ, c’était un honneur douteux : de nombreux collègues doutaient qu’il s’agisse d’un élément nouveau et ont ridiculisé leurs conclusions. D’autres pensaient que l’hélium ne pouvait exister que dans le soleil. En 1882, le physicien italien Luigi Palmieri analysait la lave du mont Vésuve lorsqu’il a remarqué cette même ligne spectrale jaune révélatrice dans ses données – la première indication d’hélium sur Terre. Il faudra encore 12 ans avant que le chimiste écossais William Ramsey ne trouve de nouvelles preuves expérimentales de ce nouvel élément.
Fils d’un ingénieur civil et neveu d’un géologue écossais bien connu, Ramsey a obtenu son doctorat à l’Université de Tübingen en Allemagne et a finalement rejoint la faculté de l’University College London, publiant plusieurs articles sur les oxydes d’azote. En 1894, inspiré par une conférence de Lord Rayleigh, Ramsey a réussi à isoler un nouveau gaz sans réactivité chimique – le premier gaz inerte, qu’il a surnommé argon, d’après le mot grec signifiant « paresseux ». Par la suite, il découvrit d’autres gaz inertes : le néon, le krypton et le xénon, ce qui lui valut finalement le prix Nobel de chimie de 1904 pour ses réalisations.
En 1895, Ramsey étudiait un morceau de minerai d’uranium (cleveite), qu’il traitait avec des acides minéraux. Il espérait isoler l’argon en séparant l’azote et l’oxygène de l’échantillon avec de l’acide sulfurique. Au lieu de cela, il a noté la présence d’un gaz inhabituel enfermé à l’intérieur du spécimen – apparaissant dans un spectroscope comme un « éclat jaune glorieux », selon Lockyer, à qui Ramsey avait envoyé son échantillon pour vérification. Son spectre correspondait à celui du nouvel élément proposé observé dans la chromosphère du soleil.
Après avoir effectué des tests pour s’assurer que la ligne était bien un nouvel élément, par opposition à une nouvelle forme d’hydrogène, les travaux de Ramsey sont apparus dans les Actes de la Royal Society de Londres plus tard cette année-là, et les chimistes suédois Per Teodor Cleve et Abraham Langlet ont réussi à isoler le gaz de la clèveite. Lockyer a surnommé le nouvel élément hélium, d’après le mot grec désignant le soleil (hélios).
En 1893, il construisit un observatoire sur le Mont Blanc, déterminant à juste titre que l’on pouvait gagner un avantage considérable à des altitudes plus élevées, où l’atmosphère était plus mince. À 69 ans, il a néanmoins fait l’ascension et passé plusieurs jours à faire des observations. Il a même fait deux apparitions dans les premiers films des célèbres frères Lumière. Janssen est décédé le 23 décembre 1907, trois ans seulement après que ses plus de 6000 photographies solaires aient été rassemblées et publiées dans l’Atlas de Photographies Solaires.
Le Spectrohélioscope
À partir de la luminosité des raies spectrales, Janssen s’est rendu compte que le spectre chromosphérique pouvait être observé même sans éclipse, si seulement il pouvait simplement comprendre comment bloquer d’autres longueurs d’onde de lumière visible. Travaillant fiévreusement au cours des semaines suivantes, Janssen a construit le premier spectrohélioscope, un appareil spécialement conçu pour examiner le spectre du soleil.
Découverte de la raie spectrale de l’hélium
En observant l’éclipse totale le 18 août 1868 à Madras, en Inde britannique, l’astronome français Pierre Janssen a découvert le nouvel élément chimique Hélium. Janssen est également crédité d’avoir découvert la nature gazeuse de la chromosphère solair.
En 1868, Pierre Janssen découvrit une raie jaune vif jusqu’alors inconnue dans le spectre de la chromosphère du soleil lors d’une éclipse solaire qu’il observait depuis l’Inde. C’était l’indication d’un nouvel élément. Pendant plus de 30 ans, on a supposé que l’élément n’était présent que dans le soleil, car la raie spectrale n’a été observée en laboratoire qu’en 1895, lorsque Sir William Ramsay a examiné un gaz libéré lors du traitement de la cleveite minérale. Ramsay a nommé le nouvel élément « hélium » du mot grec helios pour le soleil.
https://www.aps.org/publications/apsnews/201409/physicshistory.cfm
http://scihi.org/pierre-janssen-discovery-helium/