27 лет у этого элемента было имя — но не было самого элемента. Гелий нашли на Солнце раньше, чем на Земле

Гелий занимает в таблице Менделеева особое место не из-за редкости или необычных свойств, а из-за своей... биографии. Все остальные химические элементы сначала находили на Земле - в минералах, газах, пламени, растворах. Гелий сначала увидели в солнечном свете. Не в пробирке и не в куске породы, а в тонкой жёлтой линии на краю Солнца во время полного затмения 18 августа 1868 года.

Французский астроном Пьер Жансен наблюдал затмение в Индии, в городе Гунтур на юго-восточном побережье страны. Солнечный диск закрылся Луной, и на несколько минут стало возможно рассмотреть хромосферу - тонкий слой раскалённого газа у края Солнца. Обычно яркий свет диска забивает слабое свечение хромосферы, но во время затмения приборы получили чистый спектр солнечного ободка. В нём Жансен заметил яркую жёлтую линию, которая не совпадала ни с одним известным веществом.

Разглядеть химический элемент на расстоянии 150 млн километров помог спектроскоп. Прибор раскладывает свет на отдельные цвета точнее, чем обычная призма, и позволяет измерять длины волн. К середине XIX века физики уже знали: нагретые элементы светятся не сплошным набором цветов, а строгими наборами линий. У натрия есть свои жёлтые линии, у водорода - другой рисунок, у каждого вещества - собственная световая подпись. Спектральный анализ позволяет учёным определять состав веществ даже на расстоянии триллионов километров от Земли.

Достаточно было направить прибор на раскалённый газ и сравнить линии в спектре с лабораторными образцами. Если рисунок совпадал, учёные понимали, какие элементы присутствуют в пламени, солнечной атмосфере или далёкой звезде. В 1860-е годы этот метод уже позволял читать состав Солнца по свету, хотя добраться до самого источника было невозможно.

Жёлтая линия Жансена находилась рядом с двумя известными линиями натрия, которые обозначали D1 и D2. Английский астроном Норман Локьер увидел тот же сигнал в октябре 1868 года и назвал неизвестную линию D3. Положение было слишком близким к натрию, чтобы случайно пройти мимо, но слишком отличалось от натриевого спектра, чтобы списать наблюдение на уже известный элемент.

Жансен вскоре нашёл способ наблюдать хромосферу без затмения: достаточно было точно настроить прибор и отделить слабый спектр солнечного края от общего сияния. Локьер независимо получил похожий результат. Сообщения двух астрономов пришли во Французскую академию наук почти одновременно, поэтому оба вошли в историю как участники открытия нового способа смотреть на солнечную атмосферу. Позже в их честь даже выпустили медаль с двумя портретами.

Назвать линию D3 признаком нового элемента было куда смелее, чем просто зафиксировать странный сигнал. Локьер вместе с химиком Эдвардом Франклендом предположил, что неизвестная линия принадлежит веществу, которого ещё не находили на Земле. Название выбрали от имени Гелиоса, древнегреческого бога Солнца. Но для многих химиков такая идея звучала слишком рискованно: элемент вроде бы существовал в Солнце, но ни один лабораторный опыт не давал земного образца.

Почти 27 лет гелий существовал в странном промежуточном состоянии. У элемента было имя, была спектральная линия, была солнечная история, но не было вещества, которое можно собрать в сосуд и изучить обычными методами. В 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай работал с минералом клевеитом, содержащим уран. При обработке минерала кислотой выделился газ. Рамзай собрал газ и проверил спектр.

В спектроскопе снова появилась жёлтая линия D3. Сначала Рамзай предположил, что имеет дело с аргоном, недавно обнаруженным в воздухе, но положение линии не совпало. Образцы отправили другим специалистам, в том числе Локьеру. Проверка подтвердила: газ из уранового минерала содержал гелий. Вещество, которое сначала прочитали в свете Солнца, всё это время пряталось в земной породе и постепенно накапливалось в минералах в результате радиоактивного распада урана и тория. Гелиевый слой Солнца участвует в его внутренних процессах и колебаниях.

Позже Рамзай получил Нобелевскую премию по химии за работы по гелию и другим благородным газам. Сам гелий оказался далеко не солнечной редкостью. Во Вселенной этот элемент занимает второе место по распространённости после водорода. Огромные количества гелия возникли в первые минуты после Большого взрыва, а звёзды продолжают производить его в термоядерных реакциях. На Земле гелия мало по другой причине: лёгкий газ плохо удерживается у поверхности планеты и постепенно уходит в космос.

Красивая формула «гелий открыли на Солнце в 1868 году, а на Земле нашли в 1895-м» немного упрощает реальную историю. В 1868 году учёные не держали в руках новый элемент и не могли доказать его существование химически. Был только необычный спектральный след, а вывод о неизвестном веществе созревал постепенно и встречал осторожное сопротивление. Земное подтверждение тоже не свелось к одному моменту: ещё в 1882 году итальянский физик Луиджи Пальмьери сообщал о линии D3 при изучении лавы Везувия, но наблюдение не удалось развить до надёжного выделения газа.

История гелия важна не только как редкий эпизод из прошлого науки. Наблюдения спектральных линий показали, что свет от недоступных объектов несёт проверяемую информацию о составе вещества. На том же принципе сейчас строятся выводы о содержании железа в древних звёздах, водяном паре в атмосферах экзопланет и химии галактик, до которых не долетит ни один зонд. Маленькая жёлтая линия на краю Солнца стала ранним доказательством: Вселенную можно изучать по её спектру.