août/septembre 2014 (volume 23, numéro 8)

18 août et 20 octobre 1868 : Découverte de l’hélium

Peinture de JanssenLockyer-Norman
Photos de Wikipedia Commons

Pierre Janssen (en haut) et Joseph Norman Lockyer (en bas), découvreurs de l’hélium.

Malgré le fait qu’il soit le deuxième élément le plus abondant dans l’univers observable, l’hélium est relativement rare sur Terre, produit de la désintégration radioactive d’éléments comme l’uranium. En fait, il est si rare que l’hélium n’a été découvert qu’en 1868, grâce aux efforts de deux scientifiques en particulier, l’un en Angleterre, l’autre en France.

En 1859, Gustav Kirchoff s’est rendu compte qu’il était possible de déduire la composition chimique du soleil et des autres étoiles en analysant les spectres de la lumière qu’ils émettent. Kirchoff a utilisé cette méthode pour découvrir le césium et le rubidium. Les astronomes étaient particulièrement intéressés par l’étude des protubérances solaires : des explosions colorées ressemblant à des flammes, que l’on sait maintenant être des nuages chauds de gaz dense. La meilleure façon de faire de telles observations, pensaient les scientifiques, était pendant une éclipse solaire.

Né à Paris, Pierre Janssen a subi un accident dans son enfance qui l’a laissé boiteux de façon permanente. Il a étudié les mathématiques et la physique à l’université de Paris, pour finalement y devenir professeur d’architecture en 1865. Mais ses intérêts s’étendent bien au-delà de cette spécialité, et il se retrouve impliqué dans de nombreuses expéditions scientifiques liées à l’astronomie et à la géophysique. Par exemple, il se rendit 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 se concentre sur les proéminences solaires et conclut qu’elles sont principalement composées d’hydrogène gazeux, chauffé à des températures extrêmement élevées. Mais le 18 août, lorsqu’il observe le spectre du soleil à l’aide de son spectroscope, il remarque que la longueur d’onde de la ligne jaune censée indiquer la présence de sodium ne correspond pas à la longueur d’onde de cet élément. En fait, elle ne correspondait à la longueur d’onde d’aucun élément connu à ce jour. La ligne était suffisamment lumineuse, pensait-il, pour être visible même sans l’aide d’une éclipse, à condition de trouver un moyen de filtrer tout sauf cette longueur d’onde de la lumière visible. C’est ainsi qu’il en est venu à inventer le spectrohélioscope pour mieux analyser le spectre du soleil.

À quelque 5 000 milles de là, le 20 octobre 1868, l’astronome anglais Joseph Norman Lockyer a également réussi à observer les protubérances solaires en plein jour. Son article détaillant ces observations est arrivé à l’Académie des sciences française le même jour que celui de Janssen, si bien que les deux hommes ont reçu le crédit de la découverte de l’hélium.

Au départ, c’était un honneur douteux : De nombreux collègues doutaient qu’il puisse s’agir d’un nouvel élément et ridiculisaient 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 Vésuve lorsqu’il a remarqué cette même ligne spectrale jaune dans ses données – la première indication de la présence d’hélium sur Terre. Il faudra attendre encore 12 ans pour que le chimiste écossais William Ramsey trouve d’autres preuves expérimentales de ce nouvel élément.

Fils d’un ingénieur civil et neveu d’un géologue écossais réputé, Ramsey obtient son doctorat à l’université de Tübingen en Allemagne et finit par rejoindre la faculté de l’University College de Londres, 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 baptisé argon, d’après le mot grec signifiant « paresseux ». Par la suite, il découvrit d’autres gaz inertes : le néon, le krypton et le xénon, et finit par obtenir le prix Nobel de chimie en 1904 pour ses réalisations.

En 1895, Ramsey étudiait un morceau de minerai d’uranium (la clévéite), 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 une « effulgence jaune glorieuse », 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 raie était bien un nouvel élément, par opposition à une nouvelle forme d’hydrogène, les travaux de Ramsey sont apparus dans les Proceedings of the Royal Society of London plus tard cette année-là, et les chimistes suédois Per Teodor Cleve et Abraham Langlet ont réussi à isoler le gaz de la clévéite. Lockyer a baptisé le nouvel élément hélium, d’après le mot grec désignant le soleil (helios).

Janssen, quant à lui, n’est pas resté inactif dans les années qui ont suivi ses observations séminales. Il voyagea dans le monde entier pour assister à d’autres éclipses de soleil en 1870, 1875, 1883 et 1905. Pour l’éclipse de 1870 à Alger, il s’est échappé de Paris – alors assiégé en pleine guerre franco-prussienne – dans une montgolfière. Il a également assisté au transit de Vénus au Japon en 1874, puis en Algérie en 1882, dans le but de capturer sur pellicule le moment exact où le transit a commencé. Pour ce faire, il invente un instrument appelé revolver à mécanisme d’horlogerie, capable de prendre une série de 48 poses en 72 secondes selon le procédé photographique du daguerréotype. Les images obtenues étaient suffisamment bonnes pour inciter d’autres astronomes à adopter sa méthode pour les futurs transits.

En 1893, il construit un observatoire sur le mont Blanc, déterminant à juste titre que l’on pouvait obtenir un avantage considérable en altitude, où l’atmosphère était plus fine. Alors âgé de 69 ans, il entreprend néanmoins l’ascension et passe plusieurs jours à faire des observations. Il a même fait deux apparitions dans les premiers films des célèbres frères Lumière. Janssen est mort le 23 décembre 1907, trois ans seulement après que ses plus de 6 000 photographies solaires aient été rassemblées et publiées dans l’Atlas de Photographies Solaires.

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