Vạch vàng trên Mặt Trời đã hé lộ helium như thế nào?

Trong nhật thực năm 1868 tại Ấn Độ, Jules Janssen nhìn thấy một vạch vàng rất sáng trong quang phổ Mặt Trời. Nó nằm gần dấu hiệu của natri nhưng không trùng khớp. Sai khác nhỏ ấy dẫn đến một cách giải thích táo bạo: ánh sáng đang báo hiệu một nguyên tố chưa được biết đến trên Trái Đất. Nguyên tố đó về sau được gọi là helium. [1]

Phát hiện không đến từ việc thu được vật chất Mặt Trời, mà từ cách các nguyên tố tương tác với ánh sáng. Câu chuyện vì thế vừa giải thích sức mạnh của quang phổ học, vừa cho thấy khoảng cách quan trọng giữa nhìn thấy một dấu hiệu lạ và xác định đúng nguyên nhân tạo ra nó. [1]

Một vạch sáng nói được điều gì?

Kính quang phổ tách ánh sáng thành các bước sóng khác nhau. Khi được kích thích, mỗi nguyên tố tạo ra một tổ hợp vạch đặc trưng. Hydrogen, chẳng hạn, có một vạch đỏ ở khoảng 656 nanomet, cùng các vạch khác ở vùng xanh và tím. Nếu tổ hợp tương tự xuất hiện trong ánh sáng Mặt Trời, nhà thiên văn có thể suy ra nguyên tố ấy hiện diện ở vùng đang quan sát. [1]

Có thể hình dung quá trình đối chiếu này giống như nhận dạng một món hàng bằng mã vạch. Một vạch riêng lẻ cho biết vị trí của tín hiệu trên thang bước sóng; nhiều vạch kết hợp giúp việc nhận dạng đáng tin cậy hơn. Các nhà thiên văn không nhìn thấy từng nguyên tử từ xa. Họ đọc dấu vết mà vật chất để lại trong ánh sáng rồi so sánh với những mẫu đã biết trong phòng thí nghiệm. [1]

Nanomet là một phần tỷ mét, đơn vị phù hợp để mô tả bước sóng ánh sáng. Vì mỗi vạch nằm ở một vị trí xác định, chênh lệch rất nhỏ vẫn có ý nghĩa. Tuy nhiên, một vị trí khác thường chưa tự động chứng minh có nguyên tố mới: sai lệch thiết bị hoặc cách một chất quen thuộc biểu hiện trong điều kiện khác cũng cần được cân nhắc. [1]

Janssen nhìn thấy gì trong nhật thực?

Trong nhật thực tại Ấn Độ, Mặt Trăng che phần sáng nhất của Mặt Trời, giúp Janssen dùng kính quang phổ quan sát vùng khí bên ngoài vốn thường bị ánh chói lấn át. Ông nhận ra các vạch của hydrogen và một vạch vàng mạnh. Ban đầu, vạch này dễ gợi đến cặp vạch của natri, thường xuất hiện quanh 589 nanomet trong thí nghiệm. [1]

Vị trí Janssen ghi nhận lại ở gần 588 nanomet. Khoảng cách với vạch natri chỉ xấp xỉ một nanomet, nhưng độ sáng và vị trí của tín hiệu khiến ông chú ý. Câu hỏi không còn đơn thuần là “vạch này màu gì”, mà là liệu nó có thật sự thuộc về natri hay đang mang dấu hiệu của một chất khác. [1]

Sau nhật thực, mây che Mặt Trời nên Janssen chưa thể thử lại ngay. Ông điều chỉnh thiết bị để loại bớt những bước sóng không cần thiết. Sáng hôm sau, khi hướng kính vào mép Mặt Trời, ông vẫn thấy ánh vàng mạnh quanh vị trí đã ghi nhận. Việc tín hiệu xuất hiện ngoài thời gian nhật thực cho thấy phương pháp lọc ánh sáng có thể mở rộng thời gian quan sát, thay vì chỉ trông chờ vài phút Mặt Trăng che khuất Mặt Trời. [1]

Vì sao Lockyer nghĩ đến nguyên tố mới?

Janssen tiếp tục quan sát khoảng một tháng rồi gửi báo cáo tới Viện Hàn lâm Khoa học Pháp. Thư mất khoảng hai tháng mới đến Paris. Trong thời gian đó, nhà thiên văn Anh Norman Lockyer độc lập phát hiện vạch vàng vào tháng 10 năm 1868. Ông cũng dùng cách cô lập những bước sóng cần thiết để nghiên cứu vùng ngoài của Mặt Trời vào ban ngày. [1]

Lockyer diễn giải vạch vàng là dấu hiệu của một nguyên tố ngoài Trái Đất và đặt tên helium theo Helios, vị thần gắn với Mặt Trời trong thần thoại Hy Lạp. Viện Hàn lâm Khoa học Pháp sau đó ghi nhận công lao của cả Janssen và Lockyer. Trình tự thư từ được kể theo nhiều phiên bản, vì vậy điều chắc chắn hơn cả là hai người đã quan sát độc lập cùng một dấu hiệu. [1]

Không phải mọi nhà thiên văn đều chấp nhận kết luận ấy. Họ không phủ nhận vạch vàng, nhưng đề xuất rằng một nguyên tố quen thuộc có thể tạo ra tín hiệu khác lạ dưới nhiệt độ rất cao của Mặt Trời. Tranh luận tập trung vào nguyên nhân của vạch sáng: hiện tượng quan sát được là rõ ràng, còn việc gắn nó với một nguyên tố mới vẫn là cách diễn giải cần được củng cố. [1]

Khinh khí cầu liên quan gì đến helium?

Một nhật thực khác sẽ đi qua Algeria ngày 22 tháng 12 năm 1870, cho Janssen cơ hội tìm thêm bằng chứng. Nhưng Paris khi ấy đang bị bao vây trong chiến tranh Pháp–Phổ. Đường bộ, đường sông và liên lạc điện báo bị cắt; khinh khí cầu trở thành một trong số ít phương tiện đưa người và thư ra khỏi thành phố. [1]

Lockyer đã vận động để Janssen được rời Paris theo một thỏa thuận an toàn, nhưng nhà thiên văn Pháp không nhận đề nghị đó. Sáng 2 tháng 12, ông cùng phi công cất cánh trên khinh khí cầu La Volta, mang theo thiết bị thiên văn. Hai mốc ngày không mâu thuẫn: chuyến bay diễn ra trước nhật thực khoảng ba tuần, vì Janssen còn phải tiếp tục hành trình tới Algeria. [1]

Gió đẩy La Volta về phía Đại Tây Dương, buộc hai người tìm cách hạ xuống trước khi bị cuốn ra biển. Sau khi đáp xuống một cánh đồng, Janssen nghỉ vài ngày, tới Tours, chuyển một thông điệp bí mật cho phía Pháp rồi tiếp tục đi Algeria. Chuyến bay là phương tiện thoát khỏi vòng vây để đến địa điểm quan sát, không phải lúc ông dùng kính quang phổ nghiên cứu Mặt Trời. [1]

Điều gì cuối cùng khiến vạch vàng có ý nghĩa?

Nỗ lực tại Algeria không đem lại phép quan sát mong muốn vì trời nhiều mây. Lockyer ở Sicily cũng gặp thời tiết xấu. Do đó, nhật thực năm 1870 không cung cấp thêm kết quả để giải quyết tranh luận. Giá trị của phát hiện vẫn nằm ở vạch vàng được ghi nhận trước đó và ở việc hai nhà thiên văn đã độc lập tìm thấy nó bằng phương pháp tách ánh sáng. [1]

Về sau, vạch vàng được xác định đúng là dấu hiệu của helium. Nguyên tố này được quan sát trên một thiên thể trước khi được tìm thấy trên Trái Đất và hiện được biết là thành phần phổ biến thứ hai trong Mặt Trời. Tên gọi bắt nguồn từ Mặt Trời vì thế không chỉ là một phỏng đoán giàu hình ảnh, mà còn lưu lại hoàn cảnh đặc biệt của phát hiện. [1]

Chi tiết đáng nhớ nhất không phải độ lớn của vạch vàng, mà là cách người ta đọc vị trí của nó. Một tín hiệu gần giống natri nhưng không hoàn toàn trùng khớp đã buộc các nhà thiên văn tách ba bước: ghi nhận điều quan sát được, kiểm tra xem tín hiệu có lặp lại hay không, rồi tranh luận về nguyên nhân. Helium bước vào lịch sử khoa học theo con đường ấy, từ một khác biệt nhỏ trong ánh sáng đến nhận diện một thành phần của Mặt Trời. [1]