文/阿川频道

“我已经得到了一个最精细和最意想不到的结果——恒星的光谱！——色彩美丽的光谱和宏伟的线条。再迈出一步，宇宙的化学成分就会显现出来，”1862年12月在意大利的一个天文台，天体物理学家皮埃尔·朱尔斯·塞萨尔·詹森（Pierre Jules César Janssen）写给妻子的信中写道。凭借当时最新的技术和其他西方天体物理学家的观测，詹森决心要揭开银河系的秘密。

1868年8月18日，詹森成功地做到了这一点。他成为第一个在太阳光谱中观测到氦元素的人。然而，当时詹森并不知道他看到了什么——他只知道那是一种新的东西。

图：在整个19世纪中期，分光镜的改进使物理学家能够更准确地测量光的波长，并识别出新的元素——比如氦

19世纪中期是仰望天空的激动人心的时期。一种叫做分光镜的新仪器正在颠覆天文学领域。分光镜在设计上类似于望远镜，它的工作原理像一个超功率棱镜，将光分散到可测量的波长。物理学家约瑟夫·弗劳恩霍夫（Joseph Fraunhofer）在19世纪早期曾用一个早期的模型观测过太阳，但他对黑线打断正常颜色的现象感到困惑。这些黑线是以弗劳恩霍夫的名字命名的，尽管他不知道它们是什么。

几十年后，随着德国研究人员古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）和罗伯特·本森（Robert Bunsen）的研究，这些现象就变得明朗了很多。1859年，本森和基尔霍夫发现加热不同的元素会在光谱中产生明亮的光谱线，而这些光谱线和弗劳恩霍夫发现的黑色光谱线相对应。

图：用来观察太阳的分光镜。

科学家们确定这些明亮的线条是在高温气体燃烧时出现的。例如，氢燃烧呈现橙色，但当通过分光镜观察时，很明显橙色是由多个单独的窄波长光组成的。同样，弗劳恩霍夫发现的黑线代表太阳表面较冷的元素吸收了光。美国物理研究所写道：“两位科学家发现，每种化学元素都会产生独特的光谱。这提供了一种‘指纹’，可以证实某种化学物质的存在。”

通过分析实验室中特定元素的发射光谱，然后将他们的光谱仪对准恒星，研究人员可以辨认出从我们的太阳到整个星系中的恒星的所有物质的化学成分。

“在使用分光镜之前，你根本不知道太阳是由什么构成的，也不知道恒星是由什么构成的，”美国国家历史博物馆(National Museum of American History)医学和科学部门的策展人黛博拉·华纳（Deborah Warner）说。“突然间，有了一种近乎神奇的技术，你可以通过它了解这些遥远天体的元素。因为有了这个新工具，新的元素会在左右出现。”

图：法国天体物理学家皮埃尔·朱尔斯·詹森周游世界，试图了解宇宙，他是第一个在分光镜中看到氦波长模式的

詹森急切地投入到这种新的光分析形式中。虽然他住在巴黎，但为了寻找观察夜空的最佳观测点，他走遍了欧洲和亚洲。他还追逐日食，1867年2月去了意大利，然后一路前往印度贡图尔，观看1868年8月18日的日全食。法国政府和它的国家科学院都资助了这次远征，另外还有一名法国人J·K·洛克耶（J.K. Lockyer），为这两次旅行花费了七万五千多法郎。

但事实证明，高昂的成本是一项有价值的投资。在日食发生的那天，詹森用他的分光镜看到了一些不同寻常的东西：一条亮黄色的线，它的波长与任何已知的元素都不匹配。光谱与钠元素构成的模式最接近，但其清晰程度足以构成它自己的类别。詹森似乎发现了一种以前在地球上从未见过的新元素。

两位研究人员由衷地同意分享这一发现的荣耀，后来成为了亲密的朋友。但即使他们的观察令人兴奋，问题依然存在。其中最重要的是：詹森和洛克耶到底看到了什么？洛克耶很快就发现，并非所有的科学家都相信这一观察结果。为了寻找证据来支持他们新发现的元素，洛克耶找到了英国化学家爱德华·弗兰克兰（Edward Frankland），他试图在实验室再现波长模式。弗兰克兰推断，可能是极端的温度和压力，使氢在光谱上出现了亮黄色的线。后来，他们在实验室里也没有重现这一波长模式。

图：分光镜经历了多次迭代，科学家们经常自己调整设计

对于一种元素存在于太空而不存在于地球的可能性的怀疑也许并不令人惊讶，因为它是第一个这样的元素。科学历史学家詹姆斯·L·马歇尔（James L. Marshall）和弗吉尼亚·R·马歇尔（Virginia R. Marshall）写道,“弗兰克兰，也许是因为现在的高分辨率光谱中出现了许多错误的“新发现的元素”，所以他保持谨慎，认为他不想让自己的名字与这个假想的元素联系在一起，“即使是在洛克耶公开后，用希腊语中的太阳名称命名它为“氦”。

并非所有人都如此怀疑。1876年，美国科学家约翰·威廉·德雷珀（John William Draper）在美国化学学会成立大会上发表演讲，称赞这一发现。“我经常观察太阳色球层发出的明亮的黄色光线，它是由一种未知的元素氦发出的，天文学家大胆地称之为氦。它似乎因为兴奋而颤抖着讲述它的故事，以及它有多少看不见的同伴，”德雷珀说。

图：太阳光谱中氦元素曾亮黄色

直到1882年，另一位物理学家才在地球上发现了氦。意大利物理学家路易吉·帕尔米耶里（Luigi Palmieri）在分析维苏威火山（Mount Vesuvius）的熔岩时，在他的数据中记录了黄色光谱线。这一发现之后，苏格兰化学家威廉·拉姆齐（William Ramsay）对这种气体进行了实验，到1895年，研究人员可以肯定地说，氦不仅存在于太阳中，也存在于地球上。拉姆齐继续证明氦是镭放射性衰变的产物，并把它与元素周期表上的其他元素放在一起。

现在，氦气可能是最著名的气体之一了，它被用来填充生日气球。另外这种气体也在医疗机械（如核磁共振扫描仪）、航天器和辐射监测器方面有着重要用途。它也用于电脑零件、显微镜、汽车的安全气囊，以及用于物理实验的大型强子对撞机。很多人担心这种稀有元素的短缺，但在坦桑尼亚发现的大量矿藏意味着我们可能在一段时间内供应充足。

至于詹森，在发现了太阳中的氦元素后，他几乎没有满足于自己的发现荣誉。在他漫长的科学生涯中，他去了秘鲁、瑞士、日本、阿尔及利亚和其他地方探索宇宙。1870年，他甚至乘坐热气球逃离了巴黎，当时普法战争期间，这座城市被围困。他坚信自己的工作，它曾写到，“光的研究将向我们展示世界系统的物理组织。”