L'invisible révélé

L'énigme des raies sombres de Fraunhofer attendait depuis quarante ans qu'un esprit la déchiffre. C'est à Heidelberg, en mille huit cent cinquante-neuf, dans la petite ville universitaire la plus charmante du Bade, que la solution est venue. Et elle est venue, comme souvent en science, de la rencontre de deux tempéraments qui se complétaient à la perfection.

Le premier s'appelle Robert Bunsen. C'est un chimiste, un homme massif, jovial, expérimentateur formidable. Il a perdu un œil dans sa jeunesse à cause d'une explosion en laboratoire, ce qui ne l'a pas empêché de continuer à manipuler les substances les plus dangereuses. Bunsen est resté célèbre dans toutes les salles de chimie du monde pour une invention modeste mais géniale : le bec qui porte son nom. Le bec Bunsen, ce petit brûleur à gaz qui produit une flamme bleue, très chaude, sans suie. C'est en cherchant comment fabriquer la flamme la plus pure possible qu'il a perfectionné cet instrument.

Le second s'appelle Gustav Kirchhoff. C'est un physicien, un théoricien, un mathématicien rigoureux. Il est l'opposé physique de Bunsen : mince, calme, sérieux. À la fin de sa vie, il sera condamné à un fauteuil roulant et continuera ses cours assis, sans rien perdre de sa lucidité.

Bunsen et Kirchhoff enseignent tous les deux à l'université de Heidelberg, et ils sont amis. Ils se promènent ensemble le long du Neckar, ils discutent. Or, Bunsen avait remarqué une chose intrigante. Quand on met certains sels dans la flamme bleue de son bec, la flamme prend une couleur caractéristique. Le sodium la teinte d'un jaune éclatant. Le potassium la fait virer au mauve. Le strontium au rouge cramoisi, le baryum au vert. Chaque élément colore la flamme à sa manière, comme s'il signait. Mais à l'œil nu, certaines couleurs se ressemblent trop. On les confond.

Kirchhoff suggère alors quelque chose de simple et de génial. Et si on regardait cette flamme colorée non pas à l'œil nu, mais à travers un prisme ? Si on étalait la lumière de la flamme en arc-en-ciel comme Fraunhofer le faisait avec le Soleil ?

Ils construisent un appareil très simple. Un boîtier sombre, un brûleur au centre, et un prisme qui décompose la lumière émise par la flamme. C'est le premier spectroscope. Et ce qu'ils voient les sidère.

Quand on chauffe du sodium, le prisme ne montre pas un arc-en-ciel. Il montre une seule paire de raies très brillantes, dans le jaune, à une longueur d'onde précise. Toujours la même. Quand on chauffe du potassium, on voit une raie rouge et une raie violette, à des positions différentes. Le strontium donne un schéma encore différent. Chaque élément, en s'évaporant dans la flamme, projette une empreinte digitale lumineuse, une signature précise, qui ne ressemble à aucune autre.

C'est la grande loi de Kirchhoff. Chaque élément chimique émet de la lumière à des longueurs d'onde qui lui sont propres. Il n'y a pas deux éléments au monde qui partagent exactement le même spectre. Et la position de ces raies est aussi stable qu'une constante de la nature.

Mais Kirchhoff va plus loin. Il comprend que si un élément chaud émet de la lumière à une longueur d'onde donnée, le même élément, quand il est froid et qu'on lui envoie de la lumière blanche au travers, absorbe la lumière à exactement cette même longueur d'onde. Émission chaude, absorption froide : les deux faces d'une même propriété atomique.

Et là, brusquement, l'énigme de Fraunhofer s'éclaire. Les raies sombres dans le spectre du Soleil sont des raies d'absorption. Elles correspondent aux éléments présents dans l'atmosphère froide du Soleil, qui absorbent au passage certaines couleurs de la lumière émise par les couches profondes plus chaudes. La raie D de Fraunhofer, à 589 nanomètres, tombe exactement sur la signature du sodium. Conclusion : il y a du sodium dans le Soleil. On vient, pour la première fois de l'histoire, de prouver chimiquement la composition d'un astre.

Ce que Bunsen et Kirchhoff ont inventé, ce n'est pas seulement un instrument. C'est une nouvelle manière de faire de la chimie. À côté de la balance, du feu, de l'électrolyse, vient s'ajouter une quatrième méthode : la signature lumineuse. Et cette méthode est si sensible qu'elle détecte des quantités de matière invisibles à toute autre. Quelques milligrammes suffisent. Parfois, dans une eau thermale, quelques traces presque indécelables.

Dès l'année suivante, en mille huit cent soixante, ils vont utiliser leur outil pour traquer des éléments inconnus. Et ils vont tomber, presque tout de suite, sur deux raies bleues qui ne correspondent à rien de connu. C'est la prochaine note : le césium et le rubidium.

Le spectroscope ne resta pas longtemps confiné à Heidelberg. Bunsen et Kirchhoff publièrent leur méthode, et en quelques mois, d'autres laboratoires en Europe construisirent le leur. À Londres, un jeune chimiste anglais nommé William Crookes en monta un dès qu'il en eut connaissance. Crookes était un personnage particulier, qu'il vaut la peine de présenter avant de raconter sa découverte, parce que sa vie illustre quelque chose de profond sur la science du dix-neuvième siècle.

Crookes était à la fois un grand expérimentateur et un esprit attiré par l'étrange. C'est lui qui inventera, plus tard, le tube de Crookes, ce tube à vide où circulent des rayons cathodiques qui allaient mener à la découverte de l'électron. Mais le même homme s'est aussi passionné, dans la deuxième moitié de sa vie, pour le spiritisme. Il a assisté à des séances de médiums, il a cru voir des manifestations surnaturelles, il a écrit là-dessus des articles qui ont scandalisé ses collègues. La communauté scientifique a longtemps hésité entre admiration pour ses découvertes et embarras devant ses convictions. Crookes nous rappelle que les grands savants ne sont pas toujours des esprits parfaitement rangés, et que la quête du caché, en science comme ailleurs, prend parfois des chemins déconcertants.

Mais revenons à mille huit cent soixante et un, à Londres. Crookes travaille sur les résidus industriels d'une fabrique d'acide sulfurique. Dans la production de cet acide, on chauffe des minerais de fer riches en pyrites, et il reste, au fond des fours, une boue grise, un déchet sans valeur. Personne ne s'y intéresse. Crookes, lui, se demande s'il n'y aurait pas, dans ces résidus, du sélénium, un élément découvert quarante ans plus tôt et dont il pourrait extraire un peu pour ses recherches.

Il prend cette boue, la traite, l'évapore, et il en met un échantillon devant son spectroscope tout neuf. Le sélénium devrait donner ses raies caractéristiques, qu'il connaît bien. Et il les voit, en effet. Mais à côté, surgit autre chose qu'il n'attendait pas. Une raie verte, d'un vert intense, éclatante, à une position bien précise du spectre, qui ne correspond à aucun élément référencé.

Crookes est immédiatement frappé. Une seule raie, mais une raie unique en son genre, d'une netteté magnifique, dans une couleur qu'aucun élément connu ne produit en cet endroit du spectre. Il en tire la conclusion logique : il y a là un élément nouveau, caché dans les résidus de la fabrique d'acide.

Il le nomme thallium. Le mot vient du grec thallos, qui désigne le jeune rameau, la pousse verte qui sort au printemps. C'est exactement la couleur que Crookes a vue : ce vert tendre et vif des bourgeons quand les arbres se réveillent. Comme Bunsen avait nommé le césium d'après le bleu du ciel, Crookes nomme son métal d'après la couleur du printemps. Les premiers éléments du spectroscope portent ainsi des noms qui sont des couleurs, presque des poèmes minéralogiques.

Mais l'histoire a un rebondissement. Au moment où Crookes annonce sa découverte à la Royal Society, en mille huit cent soixante-deux, un autre chimiste, le Français Claude-Auguste Lamy, est en train d'arriver au même résultat par un chemin différent. Lamy travaillait, lui, sur des résidus d'une fabrique de Lille. Il avait, lui aussi, vu la raie verte. Et il était même allé plus loin que Crookes : il avait réussi à isoler le métal en quantité visible, à le peser, à étudier ses propriétés. Une querelle de priorité a éclaté, comme souvent dans ces moments-là. Crookes avait vu le premier, Lamy avait tenu le premier. Aujourd'hui, on attribue généralement la découverte aux deux, conjointement.

Le thallium, on le sait maintenant, est un métal mou, gris-bleu, qui ressemble un peu au plomb. Et il a une particularité sinistre : c'est l'un des poisons les plus efficaces que la nature ait inventés. Sans goût, sans odeur, soluble dans l'eau. Quelques milligrammes suffisent à tuer un homme, et les symptômes ressemblent à ceux de nombreuses maladies, ce qui rend le diagnostic difficile. Pendant la première moitié du vingtième siècle, le thallium fut un poison de prédilection des empoisonneurs, à tel point qu'on l'a surnommé le poison des empoisonneurs. Agatha Christie elle-même en a fait l'instrument du crime dans plusieurs de ses romans. Saddam Hussein, dit-on, en aurait utilisé contre ses opposants.

Voilà donc le troisième élément trouvé par le spectroscope, et le premier hors d'Allemagne. Le bleu du ciel, le rouge profond, le vert printanier : la chimie spectrale ressemble pour l'instant à une palette de peintre. Le quatrième élément va prolonger cette série de couleurs, et il viendra des mines d'argent de Saxe, dans un laboratoire allemand. Ce sera l'indium, et son nom décrit, là encore, sa raie : un bleu indigo profond. C'est la prochaine note.

Voici, dans toute l'histoire des éléments chimiques, l'épisode le plus poétique. Un élément découvert avant qu'on l'ait jamais touché, jamais pesé, jamais vu autrement que sous la forme d'une raie de lumière. Et découvert à l'autre bout de la Terre, en Inde, pendant une éclipse totale de Soleil. Cet élément, c'est l'hélium.

L'histoire commence le dix-huit août mille huit cent soixante-huit. Ce jour-là, une éclipse totale de Soleil traverse l'Asie. À l'époque, ces éclipses sont attendues par les astronomes comme des moments précieux. Quand la Lune masque totalement le disque solaire, on peut pour la première fois étudier la chromosphère, cette mince couche d'atmosphère solaire qui flotte juste au-dessus de la surface et qu'on appelle aussi le bord rose du Soleil. En temps normal, l'éclat aveuglant du disque la rend invisible. Mais pendant la totalité de l'éclipse, elle apparaît, comme une fine couronne de feu, pendant deux ou trois minutes seulement. Deux ou trois minutes pour observer, mesurer, photographier. Une fenêtre minuscule pour la science.

Un astronome français, Jules Janssen, voyage jusqu'en Inde pour observer l'éclipse depuis Guntoor, dans le golfe du Bengale. Il a emporté avec lui un spectroscope. C'est exactement la même méthode que Bunsen et Kirchhoff, transportée du laboratoire au télescope. Il veut voir le spectre de la chromosphère.

L'éclipse arrive. Janssen pointe son spectroscope sur le bord rose, et il voit les raies caractéristiques de l'hydrogène, dans un éclat magnifique. Mais à côté, il y a une autre raie. Une raie jaune, brillante, à une longueur d'onde précise, qu'il ne reconnaît pas. Cette raie jaune ne correspond à aucun élément terrestre connu. Elle est très proche de la raie du sodium, mais pas à la même position. Une raie qui n'est ni du sodium, ni d'aucun autre élément du catalogue.

Et voilà le geste qui change tout. Janssen comprend qu'il vient de voir quelque chose de jamais vu. Et il a une intuition décisive : si la raie jaune est si brillante pendant la totalité, c'est qu'elle correspond à un phénomène très intense. Tellement intense, peut-être, qu'on pourrait la voir même en dehors de l'éclipse, en plein jour, à condition de masquer artificiellement le disque solaire. Dès le lendemain, il refait l'observation sans éclipse, en se débrouillant pour étudier le bord du Soleil. Et la raie jaune est toujours là.

Au même moment, à l'autre bout du monde, à Londres, un autre astronome est en train de faire la même découverte indépendamment. Norman Lockyer, sans avoir voyagé en Inde, a mis au point une méthode pour observer la chromosphère solaire sans éclipse, simplement en isolant le bord du disque. Et il voit, lui aussi, cette mystérieuse raie jaune. Une coïncidence stupéfiante : deux hommes, deux continents, deux télescopes, la même découverte dans les mêmes semaines.

L'Académie des sciences de Paris reçoit les deux annonces presque simultanément. Pour départager les priorités, elle fait frapper une médaille à l'effigie commune des deux savants. Janssen et Lockyer ont découvert ensemble, et ensemble ils sont honorés.

Reste à nommer cet élément invisible. Lockyer, qui poursuit l'étude, propose un nom emprunté au grec. Le mot Hélios désigne le Soleil. Cet élément n'a été détecté que dans le Soleil, alors qu'il soit le Soleil par son nom. On l'appellera hélium. Et c'est ainsi qu'un élément chimique reçoit officiellement le nom d'un astre, avant même qu'on ne sache s'il existe vraiment sur Terre.

Comprends bien la nouveauté. Pour la première fois dans l'histoire de la chimie, un élément est postulé non pas à partir d'un échantillon manipulé en laboratoire, mais à partir d'un signal lumineux venu d'un astre. Pendant vingt-sept ans, cette hypothèse va rester un objet d'incertitude. Beaucoup de chimistes pensent que cet hélium est une chimère, une mauvaise interprétation, une raie de quelque chose de plus banal qu'on n'a pas su identifier. D'autres veulent y croire, mais ne trouvent pas l'élément ici-bas. La chimie tient pour la première fois quelque chose qu'on appellera plus tard, en plaisantant, un élément astronomique : connu en haut, introuvable en bas.

Il faudra attendre mille huit cent quatre-vingt-quinze pour que l'hélium soit enfin extrait d'un minerai terrestre, par William Ramsay à Londres. Mais ça, c'est plus tard. Pour l'instant, en mille huit cent soixante-huit, on a posé sur la liste des éléments un nouveau venu dont la signature est lumineuse, et dont on ne peut, encore, rien faire d'autre que regarder briller à trois cents mille kilomètres au-dessus de nos têtes.

Le spectroscope avait montré qu'il pouvait débusquer des éléments sur Terre. Il venait de prouver qu'il pouvait aussi en débusquer dans les étoiles. La chimie venait de prendre l'avion. Désormais, on saurait analyser les corps célestes les plus lointains avec la même rigueur que les sels d'eau thermale. La prochaine note revient sur Terre, et raconte la plus belle victoire du tableau périodique : la découverte du gallium, exactement là où Mendeleïev avait dit qu'on le trouverait.

Le gallium avait magnifiquement validé la première prédiction de Mendeleïev, celle de l'eka-aluminium. Restaient encore deux cases vides bien précises dans le tableau, deux cases pour lesquelles Mendeleïev avait écrit des fiches signalétiques détaillées : l'eka-bore, et l'eka-silicium. La seconde attendrait encore quelques années. La première, l'eka-bore, fut comblée seulement quatre ans après le gallium, et elle vint du Nord, comme une bonne part de la chimie minérale du dix-neuvième siècle. Elle vint de Suède.

Le personnage s'appelle Lars Fredrik Nilson. C'est un chimiste suédois, professeur à Uppsala, spécialiste des terres rares. Et il faut s'arrêter un instant sur ce mot, terres rares, parce qu'il va revenir dans les notes suivantes. Les terres rares, malgré leur nom, ne sont pas particulièrement rares dans la croûte terrestre. Elles sont juste très difficiles à séparer les unes des autres. Ce sont des éléments métalliques qui se ressemblent presque tous chimiquement, qui se trouvent toujours mélangés dans les mêmes minerais, et qui sortent ensemble du four du chimiste comme des frères inséparables. Démêler une terre rare d'une autre, à l'époque de Nilson, c'est un travail de patience colossal, et beaucoup s'y sont cassé les dents.

Nilson, en mille huit cent soixante-dix-neuf, étudie un minéral suédois rare appelé l'euxénite, qui contient un mélange de terres rares. Il y a aussi de la gadolinite, un autre minéral du même type. Son objectif : isoler l'ytterbium, une terre rare qu'on connaît mal, dans l'espoir de mieux la caractériser.

Il fait son travail méthodique. Il décompose, il sépare, il purifie. Il pense qu'il avance vers l'ytterbium pur. Et à un moment, il s'aperçoit que l'oxyde qu'il a entre les mains n'est pas tout à fait ce qu'il attendait. Sa masse molaire ne colle pas. Ses propriétés sont légèrement différentes. Il a un soupçon : ce serait peut-être un mélange, dont l'une des composantes serait un élément inconnu.

Il met son échantillon devant le spectroscope. Et là, parmi les raies attendues, surgissent des raies nouvelles qu'aucun élément connu ne produit. C'est la signature lumineuse d'un nouvel arrivant. Nilson recommence ses séparations, isole la fraction nouvelle, la mesure, l'étudie. Et il finit par caractériser un élément inédit, avec une masse atomique d'environ quarante-cinq.

Et voilà ce qui le frappe en lisant ses propres résultats. Quarante-cinq, comme masse atomique. Cela tombe précisément, dans le tableau de Mendeleïev, dans la case eka-bore. Cette case que Mendeleïev avait décrite dix ans plus tôt, en attribuant à l'élément manquant une masse de quarante-quatre environ, une densité voisine de trois, des propriétés chimiques proches du bore mais plus métalliques, une chimie particulière des sels. Nilson reprend la fiche de Mendeleïev, point par point. Tout colle. Sa découverte est l'eka-bore, sans aucun doute possible.

Il décide de baptiser ce nouvel élément d'après la région du monde où il a été trouvé. Comme la Scandinavie a été particulièrement productive en chimie minérale, et comme le minerai dont il vient était suédois, il choisit un nom qui rend hommage à toute la péninsule. Il l'appelle scandium, du latin Scandia, qui désigne la Scandinavie. Le nom célèbre une géographie, et il marque que la chasse aux éléments, à cette époque, est un sport scandinave de tout premier plan.

Deuxième prédiction de Mendeleïev validée. À ce stade, en mille huit cent soixante-dix-neuf, le tableau périodique a fait deux paris importants, deux paris gagnés. Le gallium a confirmé eka-aluminium. Le scandium a confirmé eka-bore. Pour les contemporains qui avaient encore des doutes sur la portée du tableau, c'est en train de devenir intenable. On ne peut plus nier que la table de Mendeleïev voit juste, prédit juste, et que les éléments qu'elle réclame finissent par apparaître exactement là où elle le dit.

Reste la troisième prédiction, l'eka-silicium. Une case vide située en dessous du silicium, dans la colonne du carbone et du germanium futur. Mendeleïev avait été très précis : il avait annoncé un élément de masse atomique voisine de soixante-douze, de densité environ cinq virgule cinq, gris foncé, formant un oxyde et un chlorure tout à fait spécifiques. Cette prédiction-là, encore plus détaillée que les autres, attendait son chimiste. Il sera allemand, il s'appellera Clemens Winkler, et c'est la prochaine note.

Quelques mots sur le scandium aujourd'hui, parce qu'il a fini par sortir de son anonymat. Pendant un siècle, ce fut un élément de curiosité de laboratoire, qu'on ne savait pas trop comment exploiter. Puis, dans les années récentes, on s'est aperçu que de très petites quantités de scandium ajoutées à l'aluminium donnent un alliage extraordinairement résistant et léger, utilisé dans certains avions militaires et dans les pièces de vélo haut de gamme. Le scandium est aujourd'hui l'un des éléments stratégiques les plus convoités, et son prix au kilo dépasse souvent celui de l'or. La Russie en possède l'essentiel des ressources mondiales.

Le coup de bélier suédois avait validé le tableau. Le coup de grâce allemand allait clore la trilogie des prédictions de Mendeleïev. C'est la note suivante, et c'est le germanium.

Pendant que la trilogie gallium-scandium-germanium triomphait, une partie du tableau périodique restait, pour les chimistes du dix-neuvième siècle, un véritable cauchemar. C'est la rangée des terres rares, ou plus exactement des lanthanides, ces quatorze éléments qui se logent entre le lanthane et le lutécium, et qui sont si chimiquement semblables qu'on les a souvent confondus, mélangés, rebaptisés, défaits, refaits, pendant près d'un siècle. Cette note ne raconte pas un seul élément. Elle raconte l'épopée collective d'une famille entière qui a résisté plus que toutes les autres à la curiosité humaine.

Pour comprendre la difficulté, il faut d'abord saisir leur particularité. Les lanthanides ont des structures électroniques très semblables, parce qu'ils remplissent peu à peu une sous-couche d'électrons enfouie profondément dans leur nuage atomique, sans changer leur comportement chimique extérieur. Résultat : du lanthane au lutécium, ils se comportent presque tous de la même manière. Ils forment les mêmes types de composés, ils se précipitent dans les mêmes solutions, ils cristallisent ensemble. Pour les séparer un à un, il faut des centaines de recristallisations successives, des minuscules différences exploitées pied à pied, dans une patience qui dépasse l'entendement.

L'aventure commence en mille sept cent quatre-vingt-quatorze, en Finlande, avec un minerai trouvé dans le village d'Ytterby, sur une petite île près de Stockholm. Un chimiste finlandais, Johan Gadolin, examine ce minerai et en tire ce qu'il croit être un élément nouveau, qu'il nomme ytterbia. Mais cet ytterbia, on s'en apercevra des décennies plus tard, n'est pas un élément simple. C'est un mélange. Et de ce mélange, peu à peu, vont sortir une douzaine d'éléments. Le village d'Ytterby, par lui-même, a donné son nom à quatre éléments du tableau périodique : l'yttrium, l'ytterbium, le terbium et l'erbium. Quatre éléments pour un village de quelques centaines d'habitants : c'est un record absolu en chimie.

Le grand artisan du tri, dans la première moitié du dix-neuvième siècle, s'appelle Carl Gustaf Mosander. C'est un Suédois, élève de Berzelius. Mosander prend l'ytterbia originel, le travaille, le décompose. Il en tire le terbium et l'erbium en mille huit cent quarante-deux. Et il a aussi été le premier à débusquer le lanthane, en mille huit cent trente-neuf, dans un minerai qu'on croyait être du cérium pur. Le nom lanthane vient du grec lanthanein, qui signifie se cacher. Voilà comment les chimistes voyaient ces éléments : des choses qui se cachent, qui se déguisent, qui se laissent prendre pour autre chose.

Une figure capitale de cette histoire est le Suisse Jean Charles Galissard de Marignac, qui travaille à Genève. Marignac est un chimiste d'une patience légendaire, capable d'effectuer mille recristallisations successives sur un échantillon pour gagner un infime degré de pureté. C'est lui qui, en mille huit cent soixante-dix-huit, identifie l'ytterbium proprement dit, distinct des autres éléments du mélange. C'est lui aussi qui, en mille huit cent quatre-vingts, isole le gadolinium, qu'il nomme en l'honneur de Gadolin, le pionnier. Marignac a essentiellement passé sa vie à séparer ces choses qui ne voulaient pas se séparer.

Et puis il y a ce que les chimistes appellent un faux élément. Pendant des décennies, on a cru qu'il existait un élément appelé didyme, parce que dans les analyses de cérite, on trouvait toujours, à côté du cérium et du lanthane, un troisième composant qui se comportait comme un élément unique. On l'avait baptisé didymos, qui veut dire jumeau en grec, parce qu'il accompagnait toujours le cérium. Mais en mille huit cent quatre-vingt-cinq, un chimiste autrichien, Carl Auer von Welsbach, comprend que le didyme n'existe pas en tant que tel. C'est lui-même un mélange. De ce mélange, Auer extrait deux éléments distincts, qu'il baptise praséodyme et néodyme, c'est-à-dire le jumeau vert et le nouveau jumeau. Le faux didyme s'effondre en deux vrais lanthanides. C'est l'objet de la prochaine note, à laquelle on consacrera une attention particulière, parce que cette histoire de l'effondrement du didyme est l'une des plus belles leçons de la chimie analytique.

Et la liste continue. Lecoq de Boisbaudran, le découvreur du gallium, identifie le samarium en mille huit cent soixante-dix-neuf, puis le dysprosium en mille huit cent quatre-vingt-six, en arrachant des composantes à des mélanges qu'on croyait purs. Le mot dysprosium, en grec, signifie difficile à obtenir. C'est tout dire.

Et il a fallu attendre mille neuf cent sept pour que la liste des lanthanides naturels soit enfin complète, avec la séparation du lutécium par le Français Georges Urbain. On y reviendra dans une note dédiée. Quatorze éléments en tout, étalés sur cent treize ans d'efforts, de la première erreur de Gadolin en mille sept cent quatre-vingt-quatorze à la dernière séparation d'Urbain.

Pourquoi cette épopée mérite-t-elle une place dans notre saison spectroscope ? Parce que sans le spectroscope, on n'aurait pas pu démêler ces éléments. Chacun a ses raies, sa signature lumineuse. À mesure que les chimistes accumulaient des séparations laborieuses, c'est le spectroscope qui leur disait, à chaque étape, ce qu'ils avaient vraiment dans le creuset. Ce qui aurait été indistinguable chimiquement devenait reconnaissable lumineusement. Le spectroscope, dans la chasse aux terres rares, a joué le rôle d'un détecteur de mensonges. Quand un échantillon prétendait être pur, il suffisait de regarder son spectre pour voir s'il l'était vraiment. Souvent, il ne l'était pas.

Aujourd'hui, les lanthanides sont devenus des matériaux stratégiques de premier plan. Les aimants néodyme-fer-bore équipent les éoliennes, les moteurs des voitures électriques, les disques durs. Le terbium et l'europium donnent les couleurs des écrans plasma et LED. Le gadolinium sert d'agent de contraste dans les IRM. La Chine, qui possède l'essentiel des gisements exploitables, contrôle aujourd'hui plus de quatre-vingts pour cent de la production mondiale, et la dépendance occidentale à ces approvisionnements est une question géopolitique majeure.

Voilà donc le casse-tête des terres rares, brossé à grands traits. La note suivante va plonger dans un épisode particulier de cette histoire, et qui à lui seul résume tout : la dissolution du faux didyme en deux jumeaux véritables.

Reviens en pensée à la note sur l'hélium dans le Soleil, en mille huit cent soixante-huit. Janssen et Lockyer avaient vu, pendant une éclipse, une raie jaune mystérieuse dans le spectre solaire, et ils en avaient déduit l'existence d'un nouvel élément qu'ils avaient baptisé hélium. Mais à l'époque, c'était une déduction lumineuse, et rien d'autre. Personne n'avait jamais tenu un atome d'hélium sur Terre. Personne ne savait si l'hypothèse était juste, ou si la raie jaune correspondait à quelque chose de plus banal qu'on n'avait pas su identifier. L'hélium était un élément virtuel, suspendu au-dessus de nos têtes.

Cette situation a duré vingt-sept ans. Vingt-sept ans pendant lesquels chaque génération de chimistes a tenté, sans succès, de débusquer l'hélium sur Terre, dans tel ou tel minerai, dans telle ou telle atmosphère. Rien. La raie jaune brillait dans le ciel, et restait obstinément absente du sol. On commençait à se demander si l'hélium n'était pas, finalement, un élément exclusivement solaire. Auquel cas il faudrait imaginer une chimie spéciale, valable dans les conditions extrêmes des atmosphères stellaires, mais incapable d'exister à pression et température terrestres.

Et puis arrive l'année mille huit cent quatre-vingt-quinze. Et avec elle, William Ramsay. Tu te souviens de Ramsay : c'est l'un des deux savants britanniques qui, avec Lord Rayleigh, venait de découvrir l'argon l'année précédente, en démontrant que l'atmosphère contenait un gaz inerte parfaitement inconnu. La découverte de l'argon a ouvert un horizon : si la nature contenait des gaz qui ne réagissaient avec rien, alors le spectroscope serait le seul moyen de les débusquer, puisqu'aucune réaction chimique ne pouvait les trahir.

Ramsay, lancé sur la piste, cherche des analogues à l'argon. Et il a entendu parler d'un minerai d'uranium, la cleveite, trouvé en Norvège, dans lequel des chimistes avaient remarqué quelque chose de bizarre. Quand on chauffait la cleveite, elle dégageait un gaz. Personne ne savait identifier ce gaz. Certains avaient pensé que c'était de l'azote, mais ses propriétés ne collaient pas tout à fait. D'autres avaient juste laissé tomber, en notant que la chose dégageait du gaz et qu'on verrait plus tard.

Ramsay décide de regarder de près. Il se procure de la cleveite, il la chauffe à l'acide, il recueille le gaz dégagé. Et il met ce gaz devant son spectroscope. Et là, il voit ce que personne avant lui n'avait osé voir : la raie jaune. Cette même raie jaune que Janssen et Lockyer avaient observée vingt-sept ans plus tôt dans la chromosphère du Soleil. La signature lumineuse de l'hélium, trouvée pour la première fois dans un minerai de notre propre planète.

Ramsay, prudent, fait vérifier sa découverte par d'autres laboratoires. Il envoie un échantillon à Lockyer lui-même, à Londres. Lockyer fait l'analyse, et confirme : oui, c'est bien l'hélium. Lockyer, qui avait passé vingt-sept ans à étudier cette raie jaune dans le ciel, peut enfin tenir entre ses mains, ou plutôt dans une éprouvette, le gaz dont il avait, en quelque sorte, deviné l'existence sans jamais l'avoir touché.

L'émotion de ce moment doit être imaginée. C'est, dans toute l'histoire de la chimie, le seul cas où un élément a été repéré dans une étoile avant d'être trouvé sur Terre. Toutes les autres découvertes étaient terrestres d'abord, et seulement après on cherchait l'élément dans le ciel. L'hélium a fait l'inverse, et c'est ce qui fait de lui un élément à part. Son nom, qui vient d'Hélios, le Soleil, garde la trace pour toujours de cette particularité. Cet élément aurait pu s'appeler cleveitium ou n'importe quoi de minéral. Il s'appelle Soleil, en quelque sorte. Et il porte ce nom même dans une bouteille de gaz, même dans un ballon de fête.

Pourquoi l'hélium ne se trouve-t-il que dans certains minerais et nulle part ailleurs sur Terre ? La réponse viendra plus tard, avec la radioactivité. L'hélium est en réalité produit en permanence, en très petite quantité, par la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium. Les atomes alpha que ces éléments émettent quand ils se désintègrent ne sont pas autre chose que des noyaux d'hélium. Les minerais d'uranium, en se désintégrant pendant des milliards d'années, ont donc accumulé de petites poches d'hélium au creux de leurs cristaux. La cleveite est l'un de ces minerais. Voilà pourquoi l'hélium s'y trouvait, alors qu'il ne se trouvait nulle part ailleurs en quantité détectable.

Comme l'argon, l'hélium est un gaz noble, parfaitement inerte chimiquement. C'est l'élément le plus simple après l'hydrogène : deux protons, deux neutrons, deux électrons. Il est extrêmement léger, plus léger que l'air, ce qui lui a valu une carrière de gaz de remplissage pour ballons et dirigeables. Avant la catastrophe du Hindenburg en mille neuf cent trente-sept, on utilisait l'hydrogène pour gonfler les dirigeables, plus économique mais terriblement inflammable. Après le drame, on est passé à l'hélium, qui ne brûle pas. L'hélium permet aussi, à très basse température, de refroidir des aimants supraconducteurs, ceux qu'on trouve dans les IRM des hôpitaux et dans les grands accélérateurs comme le LHC du CERN. Sans hélium liquide, pas d'IRM. Sans hélium liquide, pas de Boson de Higgs détecté.

L'hélium terrestre étant identifié, Ramsay a poursuivi sa chasse aux gaz nobles, et il a déterré, dans la foulée, trois autres éléments de la même famille : le néon, le krypton et le xénon. Ces trois-là, on les a déjà racontés brièvement dans la saison précédente. Mais l'argon, lui, mérite qu'on y revienne, parce que son histoire commence par une toute petite anomalie de densité, et qu'elle illustre à la perfection la rigueur scientifique en action. C'est la prochaine note.

Pour clore l'épopée des terres rares, il faut raconter le dernier de la série, celui qui ferme la rangée des lanthanides. Cet élément s'appelle lutécium, et il a été isolé en mille neuf cent sept par un chimiste français, Georges Urbain. Son nom rend hommage à la ville de Paris, et son histoire raconte deux choses : la dernière séparation patiente du puzzle, et l'une des grandes querelles de priorité de la chimie moderne.

Georges Urbain est un chimiste de la Sorbonne, élève de Charles Friedel, qui a passé une partie de sa carrière à s'attaquer aux séparations délicates des lanthanides. Il a un laboratoire bien équipé à Paris, et il maîtrise à la perfection la recristallisation fractionnée, cette technique exigeante qui consiste à décanter et précipiter des sels mille fois successivement pour obtenir des fractions de plus en plus pures.

En mille neuf cent sept, Urbain travaille sur un échantillon d'ytterbium, ce lanthanide que Marignac avait identifié en mille huit cent soixante-dix-huit. Mais Urbain a un soupçon. Quand il étudie son ytterbium aux raies spectrales, il voit des raies qui ne devraient pas être là. Quelques raies supplémentaires, faibles, qui suggèrent une impureté. Or les chimistes qui chassent les lanthanides ont l'habitude : à chaque fois qu'une impureté résiste, il faut soupçonner qu'elle est un nouvel élément.

Urbain reprend son ytterbium et le fractionne, avec sa patience caractéristique. Il fait mille recristallisations, peut-être plus. Et il finit par séparer l'ytterbium en deux composants distincts. L'un correspond bien à l'ytterbium connu de Marignac. L'autre est un nouvel élément, qui n'avait jamais été isolé. Sa signature spectrale est distincte, ses propriétés sont distinctes. C'est le lutécium, et il prend la dernière case lanthanide du tableau périodique, juste avant le hafnium.

Urbain choisit le nom en hommage à Paris. Lutécium vient de Lutetia, le nom latin de l'antique Lutèce, qui désignait la ville de Paris à l'époque romaine. Comme le scandium de Nilson avait honoré la Scandinavie, comme le germanium de Winkler avait honoré l'Allemagne, le lutécium d'Urbain honore une géographie et un héritage. La chimie minérale, à cette époque, est aussi un sport patriotique.

Mais l'histoire ne s'arrête pas là, et c'est là que ça se complique. En même temps qu'Urbain, en Autriche, Auer von Welsbach, celui-là même qui avait démêlé le faux didyme vingt-deux ans plus tôt, travaillait sur les mêmes problèmes. Et Auer annonce, à quelques mois près, qu'il a lui aussi identifié un nouvel élément dans l'ytterbium, qu'il propose de baptiser cassiopeium, du nom de la constellation. Auer affirme que sa découverte est antérieure à celle d'Urbain, et qu'à ce titre, c'est son nom à lui qui doit être retenu.

Une querelle s'engage. Qui des deux a vu le premier ? Les arguments fusent. Les revues scientifiques publient des notes contradictoires. Les commissions internationales sont saisies. C'est l'une des grandes batailles de priorité de la chimie du début du vingtième siècle, et elle dure des années. Finalement, la communauté tranche en faveur d'Urbain. Lutécium devient le nom officiel. Auer, vexé, continuera quelque temps à utiliser cassiopeium dans ses publications autrichiennes, et le nom survivra discrètement dans certains manuels germaniques jusqu'aux années cinquante. Mais à l'international, c'est lutécium qui s'impose. Et c'est lui qui figure aujourd'hui dans tous les tableaux périodiques.

Ce détail a son importance, parce qu'il dit quelque chose des règles du jeu en chimie minérale. La priorité, en science, n'est pas toujours simple à établir. Quand deux laboratoires travaillent sur le même problème, avec des méthodes voisines, à la même époque, il est presque inévitable qu'ils arrivent à des conclusions semblables à quelques mois ou semaines d'intervalle. La règle du premier publié a souvent fait des perdants amers. Auer est entré dans l'histoire pour le praséodyme et le néodyme, mais pas pour le lutécium. C'est la dure loi du sport scientifique.

Avec le lutécium, en mille neuf cent sept, la série des lanthanides naturels est complète. De la première découverte du cérium par Berzelius en mille huit cent trois, à la dernière séparation du lutécium par Urbain, il aura fallu cent quatre ans pour démêler entièrement les quatorze éléments de cette famille. Cent quatre ans, des dizaines de chimistes, et probablement des milliers de recristallisations fractionnées. La chimie des terres rares est sans doute l'épisode le plus long et le plus laborieux de toute la chasse aux éléments naturels.

Quelques mots, là encore, sur le rôle moderne du lutécium. C'est un métal rare et coûteux, mais qui trouve des applications très ciblées. Dans les détecteurs de scanners médicaux, on utilise des cristaux d'oxyorthosilicate de lutécium qui détectent avec une précision exceptionnelle les rayons gamma émis lors des examens TEP, ces tomographies par émission de positrons utilisées notamment en oncologie. Le lutécium 177, un isotope radioactif, est aussi employé en médecine nucléaire pour traiter certaines tumeurs neuroendocrines et certains cancers de la prostate. C'est un cas typique d'élément trouvé pour son intérêt théorique au début du vingtième siècle, et qui trouve un usage clinique majeur cent ans plus tard.

La chasse aux éléments par voie chimique et spectroscopique ralentit avec le lutécium. Le tableau, à ce stade, est presque complet pour les éléments naturels. Les cases qui restent à remplir seront, dans les années suivantes, traquées par d'autres méthodes : les rayonnements, les accélérateurs, l'astrophysique. Justement, l'astrophysique : c'est dans cette direction que la prochaine note va se tourner. Parce que le spectroscope, depuis Janssen et Lockyer, avait commencé à pointer ses prismes vers le ciel, et il avait ouvert une discipline entière. Cette discipline s'appelle l'astrophysique, et elle est elle-même née d'un instrument optique. C'est l'objet de la note suivante.

L'astrophysique née dans les années mille huit cent soixante, avec Huggins et Secchi, avait établi une certitude apparemment solide : les étoiles sont faites des mêmes éléments que la Terre, à peu près dans les mêmes proportions. Du fer, du calcium, du sodium, du magnésium, un peu d'hydrogène. Pendant un demi-siècle, c'est ce qu'on enseignait. Le Soleil et les étoiles étaient considérés comme des boules de matière essentiellement métallique, ressemblant chimiquement à la croûte terrestre. C'est cette certitude que va briser, en mille neuf cent vingt-cinq, une jeune femme de vingt-cinq ans à l'observatoire de Harvard. Elle s'appelle Cecilia Payne, et son histoire mérite d'être racontée pour ce qu'elle dit de l'astrophysique et pour ce qu'elle dit, aussi, de la condition des femmes en science au début du vingtième siècle.

Cecilia Payne est née en mille neuf cent en Angleterre. Brillante, passionnée, elle étudie à Cambridge, où les femmes peuvent suivre les cours mais ne reçoivent pas de diplôme. Elle suit notamment les cours d'Arthur Eddington, le grand astrophysicien britannique qui venait de vérifier la théorie de la relativité d'Einstein pendant une éclipse. Eddington la fascine, elle décide qu'elle veut faire de l'astrophysique. Mais dans l'Angleterre des années vingt, les portes des carrières scientifiques sont fermées aux femmes. Elle décide alors de partir aux États-Unis, où l'observatoire de Harvard, sous la direction de Harlow Shapley, accepte des femmes comme chercheuses, principalement comme calculatrices, ces employées qui faisaient à la main les longs calculs astronomiques nécessaires à l'analyse des plaques photographiques.

Payne arrive à Harvard en mille neuf cent vingt-trois. Elle se met à étudier les spectres stellaires, en s'appuyant sur une théorie récente de la physique quantique, la théorie de l'ionisation de Meghnad Saha. Cette théorie, proposée en mille neuf cent vingt par un physicien indien, montrait comment les raies spectrales d'un élément dépendent de la température : à haute température, les atomes perdent des électrons, et leurs raies changent. C'était une avancée majeure, mais peu d'astronomes l'avaient encore vraiment intégrée à leur travail. Payne, jeune et fraîchement formée à la physique moderne, est l'une des premières à l'appliquer systématiquement aux spectres stellaires.

Et ce qu'elle trouve, en faisant le calcul rigoureusement, est stupéfiant. Quand on tient compte de l'ionisation, c'est-à-dire quand on calcule combien d'atomes de chaque élément doivent vraiment être présents dans une étoile pour produire les raies qu'on observe à sa température réelle, le résultat est tout autre que ce qu'on croyait. Le Soleil et les autres étoiles ne sont pas composés à parts comparables de différents éléments. Ils sont essentiellement faits de deux choses : de l'hydrogène, écrasante majorité, et d'hélium, en quantité importante. Tous les autres éléments, le fer, le calcium, le sodium, le magnésium, le carbone, l'oxygène, tous ensemble, ne représentent qu'un petit pourcentage. Les étoiles sont, à plus de quatre-vingt-dix-huit pour cent, faites d'hydrogène et d'hélium.

C'est une conclusion révolutionnaire. Elle bouleverse tout ce qu'on croyait de la composition de l'univers. Et c'est l'objet de la thèse de doctorat de Cecilia Payne, soutenue en mille neuf cent vingt-cinq. Sa thèse, intitulée Stellar Atmospheres, est immédiatement reconnue comme un travail brillant. L'astronome Otto Struve dira plus tard qu'elle est sans doute la plus brillante thèse de doctorat jamais écrite en astronomie. Une jeune femme de vingt-cinq ans vient de réécrire la composition de l'univers.

Mais l'histoire a un côté sombre. Le grand astronome américain Henry Norris Russell, à qui Payne avait envoyé son travail pour avis, refuse de croire à sa conclusion. Pour lui, c'est impossible. Les étoiles ne peuvent pas être surtout faites d'hydrogène, parce que cela contredit ce qu'on croyait savoir. Il convainc Payne d'écrire dans sa thèse que ses propres conclusions sur l'abondance de l'hydrogène et de l'hélium sont sans doute irréalistes. Payne, jeune femme dans un milieu masculin où ses aînés ont autorité, finit par accepter d'écrire cette mention prudente. Sa thèse paraît avec cette restriction.

Quatre ans plus tard, en mille neuf cent vingt-neuf, le même Henry Norris Russell, en refaisant les calculs lui-même, arrive aux mêmes conclusions que Payne. Et il publie un article où il proclame que les étoiles sont surtout faites d'hydrogène et d'hélium. Il cite Payne, en passant, mais c'est son nom à lui qui sera ensuite associé à la découverte dans les manuels pendant des décennies. Une découverte volée, par négligence ou par paternalisme. Il faudra attendre les années soixante-dix et quatre-vingts pour que la communauté astronomique reconnaisse pleinement la priorité de Payne.

Cecilia Payne a continué sa carrière à Harvard. Elle est devenue la première femme professeur titulaire de Harvard, en mille neuf cent cinquante-six, puis la première à diriger un département de l'université. Mais ces honneurs sont venus tard, après des décennies pendant lesquelles elle était payée bien moins que ses collègues masculins, et où elle devait souvent enseigner sous des intitulés vagues qui ne reflétaient pas son rang.

Son apport est immense. C'est elle qui nous a appris que l'univers est, dans sa très grande majorité, fait de l'élément le plus simple, l'hydrogène. Toutes les théories modernes du Big Bang, de la formation des étoiles, de la nucléosynthèse stellaire, de l'évolution chimique des galaxies, partent de ce fait : l'hydrogène domine, l'hélium suit, le reste est de la trace. Sans Payne, l'astrophysique du vingtième siècle n'aurait pas eu son point de départ correct.

Quelques années avant, en mille neuf cent vingt, Eddington avait deviné, par d'autres voies, que les étoiles devaient brûler de l'hydrogène pour produire leur énergie. Payne, en montrant que le combustible était massivement disponible, a rendu cette hypothèse non seulement possible, mais nécessaire. Bethe, en mille neuf cent trente-huit, allait alors écrire en détail les cycles nucléaires de la fusion stellaire, hydrogène vers hélium, et l'on aurait enfin compris pourquoi le Soleil brille.

Une dernière surprise spectrale attendait l'astrophysique, dans les années cinquante, et elle concernait un élément qu'on croyait incapable d'exister dans la nature. C'est le sujet de la prochaine note, et elle raconte la détection du technétium dans le spectre d'une étoile.