Das dunkle Universum: Kann ein Wissenschaftler, der lange gegen Covid kämpft, die Geheimnisse des Kosmos lüften?

Seit Catherine Heymans vor mehr als einem Jahr an dem Virus erkrankt ist, kann sie nur noch in halbstündigen Abständen operieren. Aber ihre Arbeit könnte dennoch die Art und Weise verändern, wie wir das Universum verstehen

Im vergangenen September sollte Catherine Heymans, eine der weltweit führenden Kosmologin, eine Fähre zur nördlichsten Insel des Orkney-Archipels besteigen. Die Insel North Ronaldsay gehört zu den dunkelsten bewohnten Orten der Erde. In einer klaren Winternacht ist man leicht beeindruckt von den Tausenden und Abertausenden von Sternen, die mit bloßem Auge sichtbar sind und ihr unverfälschtes Licht auf die Erde werfen. Heymans, die erste Frau, die zur königlichen Astronomin für Schottland ernannt wurde, wollte den rund 60 Bewohnern der Insel erklären, dass diese Sterne und der Rest des wahrnehmbaren Universums nur einen Bruchteil dessen darstellen, was unseren Kosmos ausmacht. Was sie untersucht, ist alles, was wir nicht sehen können: die Dunkelheit.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat der 45-jährige Heymans unser Verständnis eines riesigen, unsichtbaren Kosmos erweitert, den Wissenschaftler gerade erst zu begreifen beginnen. Es wird angenommen, dass dieses „dunkle Universum“ mehr als 95 % von allem ausmacht, was existiert. Es besteht aus Wesenheiten, die mysteriöser sind als die gewöhnliche Materie und Energie – Licht, Atome, Moleküle, Lebensformen, Sterne, Galaxien –, die im Laufe der Geschichte Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen waren. In den letzten zehn Jahren hat Heymans gelernt, dass das dunkle Universum den sichtbaren Kosmos auf unerwartete Weise formt und möglicherweise nicht allen Standardregeln der Physik folgt. Ihre Entdeckungen erschüttern einen breiten Konsens darüber, wie unsere Welt im größten Maßstab funktioniert. „Ich glaube, um das dunkle Universum wirklich zu verstehen, müssen wir uns auf eine neue Physik berufen, die unsere kosmische Sichtweise für immer verändern wird“, schrieb sie.

Heymans ist mit dieser Überzeugung nicht allein. Im 20. Jahrhundert entwickelten Wissenschaftler eine außerordentlich genaue Darstellung der fast 14 Milliarden Jahre langen Geschichte des Universums. Doch immer mehr Wissenschaftler vermuten, dass dieses Modell stark eingeschränkt oder sogar kaputt sein könnte. Einige führende Astrophysiker haben kürzlich erklärt, dass wir in eine Ära der kosmologischen Krise eingetreten sind, die zu allem Möglichen führen könnte, von der Entdeckung neuer fundamentaler Teilchen bis hin zu einer neuen Theorie der Schwerkraft. „Die Verbreitung von Ideen ist mit nichts zu vergleichen, was ich je gesehen habe“, sagte mir kürzlich der Nobelpreisträger Adam Riess, eine weitere Schlüsselfigur im aktuellen Umbruch der Kosmologie.

Sechs Monate bevor sie nach North Ronaldsay gehen sollte, ging es Heymans wie vielen anderen Weltklasse-Wissenschaftlern: Sie arbeitete mindestens 12 Stunden am Tag und hatte einen überwältigenden Terminkalender mit internationalen Reisen. Allein im Juli sollte sie an drei internationalen Konferenzen teilnehmen, bei einem Ideenfestival mit Sir Martin Rees auf der Bühne stehen, an einer Sitzung mit dem Titel „Astronomer Royal meets Astronomer Royal“ teilnehmen und Do You Matter?, eine der Standup-Comedy-Shows, aufführen das machte sie seit 2017 mit ihrem Astrophysiker-Kollegen Joe Zuntz. (Ein pixeliges Bild entfernter Galaxien zu untersuchen, sei „wie das Betrachten seiner Lieblingspornografie aus Japan“, heißt es in einem ihrer gewagteren Witze.) Sie sollte auch den Royal Astronomical erhalten Herschel-Medaille der Gesellschaft für „hervorragende Untersuchungen in der beobachtenden Astrophysik“. Zwischen all dem sollte sie zwischen der University of Edinburgh, wo sie Professorin für beobachtende Kosmologie ist, und der Ruhr-Universität in Bochum, Deutschland, hin und her pendeln, wo sie ein prestigeträchtiges Max-Planck-Projekt im Wert von 1,5 Millionen Euro nutzt. Humboldt-Preis, den sie 2018 gewann, um ein Zentrum zu leiten, das sich der Erforschung des dunklen Universums widmet.

Doch dann, im März 2022, erkrankten Heymans und ihre Familie an Covid. Während sich ihr Partner und ihre drei Kinder relativ schnell erholten, ging es ihr noch mehrere Wochen später schrecklich. „Seltsame Krankheit, aber ich versuche geduldig zu sein“, schrieb sie mir per E-Mail. Wir hatten noch vor, uns im Sommer in Europa und im Herbst in Schottland zu treffen. Zwei Monate später meldete sie sich jedoch und teilte ihr mit, dass sich ihr Gesundheitszustand verschlechterte – „ein langsamer und stetiger Rückgang“, schrieb Heymans, der normalerweise einen sonnigen Optimismus ausstrahlt. „Leider kämpfe ich schon lange gegen Covid“, schrieb sie. Im Juli erhielt ich eine Nachricht von ihr, in der es hieß: „Bedauerlicherweise kann man an der langen Covid-Front sagen, dass mein Leben bis auf Weiteres außer Kraft gesetzt wurde.“ Sie war die letzten Wochen ans Haus gefesselt und konnte kaum sprechen.

Aber sie arbeitete immer noch. In einem dunklen Raum, der nur vom grellen Licht ihres Laptop-Bildschirms beleuchtet wurde, beantwortete Heymans E-Mails und überprüfte den Computercode für eine internationale Zusammenarbeit zur Erforschung des dunklen Universums. Nach einer halben Stunde klingelte ein Wecker und sie tippte eine Notiz, um ihr zukünftiges Ich daran zu erinnern, woran sie gerade arbeitete. Dann klappte sie ihren Laptop zu und lag schweigend da oder schlief ein. (Der Versuch, körperlich oder geistig zu viel zu tun, führt oft dazu, dass Langzeit-Covid-Erkrankte über einen längeren Zeitraum zusammenbrechen.) Sobald sie sich dazu in der Lage fühlte, stand sie auf, klappte ihren Laptop auf, las die Notiz und arbeitete weiter. Sie wiederholte diesen Zyklus mehrmals am Tag. Dann aß sie mit ihrer Familie auf dem Sofa liegend ein mageres Abendessen – Covid hatte ihr den Appetit genommen – und schlief den Rest der Nacht unruhig, wobei sie häufig mit Schmerzen oder Panik aufwachte.

Am nächsten Morgen würde Heymans wieder mit der Arbeit beginnen. Obwohl ihr Leben immer enger wurde, versuchte sie immer noch, der Menschheit zu helfen, tiefer in das Universum zu blicken. „Ich habe 20 Jahre darauf gewartet, dass die Wissenschaft so weit kommt“, erzählte sie mir kürzlich. „Ich werde jetzt nicht aufgeben.“

Die vielleicht tiefgreifendste Erkenntnis in der gesamten Kosmologie ist, dass unser Universum eine Geschichte hat. Es hat nicht ewig und unveränderlich existiert; es wurde geboren und es entwickelt sich. Das Ziel der Kosmologie besteht darin, die Geschichte dieser Entwicklung zu erzählen und die physikalischen Prozesse zu erklären, die sie steuern. Wissenschaftler tun dies in der Sprache der Mathematik, mit Gleichungssystemen, die beschreiben, wie sich das Universum verändert. Diese Gleichungen und die Geschichten, die wir erzählen, um sie intuitiv zu verstehen, werden „Modelle“ des Universums genannt. Je besser das Modell – je genauer es die Welt, wie wir sie beobachten, beschreibt – desto tiefer gehen wir davon aus, dass unser Verständnis des Universums ist. Was Heymans‘ Arbeit so bemerkenswert macht, ist, dass sie im Widerspruch zum genauesten Modell des Universums steht, das wir je hatten.

Der Eckpfeiler dieses Modells ist die Urknalltheorie, die besagt, dass alles im Universum in einem unvorstellbar heißen, kompakten Zustand begann – möglicherweise in einem unendlich dichten Punkt, der als Singularität bekannt ist – und sich dann ausdehnte. Zusätzlich zum Urknall umfasst das Modell die beiden rätselhaften Bestandteile des dunklen Universums, das Heymans untersucht. Eine davon ist die „dunkle Materie“, die kein Licht aussendet, reflektiert oder absorbiert, sondern die Anziehungskraft der Schwerkraft ausübt. Die Existenz dunkler Materie hilft zu erklären, warum Galaxien nicht auseinandergerissen werden, wenn sie durch die Leere wirbeln. „Wenn alles da wäre, was wir sehen, würden die Sterne einfach in den Weltraum fliegen“, erklärt Heymans bei einem ihrer öffentlichen Auftritte. Der andere Bestandteil ist die „dunkle Energie“, die dafür sorgt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Heymans pflegt zu sagen, dass Dunkle Energie und Dunkle Materie „einen epischen Kampf kosmischen Ausmaßes austragen“ – Erstere zerreiße den Kosmos, Letztere versuche, ihn enger zusammenzubinden. Man geht heute davon aus, dass Dunkle Materie und Dunkle Energie mehr als 95 % des Universums ausmachen, gewöhnliche Materie dagegen weniger als 5 %.

Zusammen bilden der Urknall, die dunkle Materie und die dunkle Energie – zusammen mit Gleichungen, die aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie abgeleitet wurden – das, was heute als „kosmologisches Standardmodell“ des Universums bekannt ist. Wir können dieses Modell testen, indem wir in die Vergangenheit blicken, um das Universum in seinen Kinderschuhen zu untersuchen. Da Licht Zeit braucht, um zu uns zu gelangen, sehen wir beim Blick in den Weltraum das Universum nicht so, wie es zu einem bestimmten Zeitpunkt erscheint, sondern in vielen verschiedenen Zeitaltern. Es ist, als würden wir ein zusammengesetztes Bild des Gesichts einer Person betrachten, das aus Milliarden fragmentarischer Fotos besteht – eine Sommersprosse aus der Kindheit, eine Falte aus den Sechzigern –, die im Laufe ihres gesamten Lebens aufgenommen wurden. Wenn Sie das richtige kosmologische Modell haben, sollten Sie in der Lage sein, die Teile des Universums, die Sie zu einem bestimmten Zeitpunkt sehen, durch die Gleichungen des Modells laufen zu lassen und es das Universum ausspucken zu lassen, das Sie zu einem anderen Zeitpunkt sehen – Damit zeigen Sie, dass Ihr Verständnis des Universums richtig ist.

Die längste Zeit, die wir sehen können, liegt fast 14 Milliarden Jahre zurück, bis zu einem Moment nur 380.000 Jahre nach dem Urknall, als Licht in alle Richtungen durch das Universum schoss. Dieser frühe Lichtausbruch summt immer noch durch den Weltraum in Form von Mikrowellen, die weit außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen. Wissenschaftler nennen es den „kosmischen Mikrowellenhintergrund“. Die Kartierung subtiler Temperaturunterschiede dieser Mikrowellen gibt uns ein Bild davon, wo Materie und Energie im gesamten frühen Universum verteilt waren. Als der Astrophysiker George Smoot, der später den Nobelpreis erhielt, 1992 die ersten detaillierten Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds bewunderte, bemerkte er: „Es ist, als würde man Gott sehen.“

Mitte der 2010er Jahre waren die Karten des Hintergrunds so verfeinert, dass Physiker erklärten, dass der Mensch endlich in die Ära der „Präzisionskosmologie“ eingetreten sei. „Über die großräumige Struktur und Geschichte des sichtbaren Kosmos wurde in den letzten 20 Jahren mehr entdeckt als in der gesamten Menschheitsgeschichte zuvor“, sagte der Wissenschaftsphilosoph Tim Maudlin im Jahr 2014. Mittlerweile schien das kosmologische Standardmodell zu gelten Wir werden auf beeindruckende Weise die immer detaillierteren Karten des Säuglingsuniversums mit dem Universum verbinden, das wir in der jüngeren Vergangenheit um uns herum gesehen haben. Einige Physiker dachten, dass wir nur herausfinden müssten, woraus dunkle Materie und dunkle Energie genau bestehen, und schon wäre unser Wissen über die Funktionsweise des Universums auf den höchsten Ebenen vollständig.

Heymans war einer der ersten, der einen Riss im Standardmodell entdeckte. Als im März 2013 vom Planck-Observatorium der Europäischen Weltraumorganisation die ersten hochpräzisen Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds veröffentlicht wurden, entsprachen sie mit äußerster Präzision den Vorhersagen des Standardmodells. Aber Heymans erkannte schnell, dass diese Karten nicht mehr mit einer ihrer Messungen im neueren Universum übereinstimmten. Sie fand heraus, dass das jüngste Universum eine weniger großräumige Struktur – weniger Ansammlungen und Cluster von Galaxien – aufwies, als unsere Karten des frühen Universums vermuten ließen. Das Universum des Standardmodells glich einem Milchreis, sagt Heymans gern, aber ihr Universum ähnelte eher einer Vanillesoße. Entweder hatte Heymans einen schwerwiegenden Fehler begangen, oder mit dem Standardmodell stimmte etwas nicht.

Anfangs nahmen nur wenige Menschen die Erkenntnisse von Heymans ernst. „Niemand hat mir geglaubt, weil ich damals kein Professor war und schon gar kein königlicher Astronom“, erzählte mir Heymans. „Ich war nur ein bescheidener Dozent mit einem neugeborenen Baby, und die Leute sagten nur: ‚Nein, du machst etwas falsch.‘“

Heymans ist angesichts einer Herausforderung in Höchstform. „Sie ist sehr kreativ und versteht die wichtigen Probleme“, sagte der Astrophysiker Alan Heavens, der Heymans als Student unterrichtete und im Laufe der Jahre viele Aufsätze mit ihr geschrieben hat. Sie ist außerdem außerordentlich fleißig und unerschöpflich enthusiastisch. Sie stand immer um 4.30 Uhr auf, bereitete das Abendessen für ihre Familie vor und fuhr dann mit dem ersten Bus von ihrem Zuhause in Portobello, einem Vorort von Edinburgh, zum Fuß des Blackford Hill. Sie sagt, sie würde buchstäblich den Hügel zum Royal Edinburgh Observatory hinaufspringen und vor allen anderen bei der Arbeit ankommen. „Schlaf wird überbewertet“, sagte sie mir kürzlich während einer ihrer halbstündigen Arbeitsblöcke. „Nun, jetzt habe ich viel davon – aber ich habe früher nicht viel geschlafen.“

Bevor sie lange an Covid erkrankte, war Heymans nach ihrer eigenen Beschreibung „effizient, temperamentvoll und unaufhaltsam“ (auch „dumm groß“ – sie ist 1,80 Meter groß). Mittlerweile bezeichnet sie sich selbst als „resilient“. Trotz ihrer Krankheit beendet sie fast jeden Satz mit einem Lachen. Seit ihrem Studium besitzt sie kein Mobiltelefon mehr, auch weil sie „eine ziemlich süchtig machende Persönlichkeit“ hat und befürchtet, dass es sie von der Arbeit und der Familie ablenken würde. Sie hat fast nie Make-up getragen, weil „die Zeit einfach nicht ausreicht, um es aufzutragen“, sagte sie. „Was an Catherine irgendwie nervt, ist, dass sie produktiver ist, wenn sie zwei Drittel des Tages schläft, als ich in meinen besten Zeiten“, sagte Zuntz, ihre Comedy-Partnerin und Kollegin an der University of Edinburgh.

Heymans wurde 1978 geboren und der Familiengeschichte zufolge beschloss sie im Alter von sechs Jahren, entweder Astrophysikerin oder Gehirnchirurgin zu werden, nachdem sie ihren Grundschullehrer gefragt hatte, was der schwierigste Job der Welt sei. Ihre Eltern waren von ihr verblüfft, sie sagte: „Sie waren sehr stolz, aber sie versuchten immer wieder, mich in passendere Berufe zu locken.“ Die Familie lebte in Hitchin, Hertfordshire, im Einzugsgebiet der Heimatbezirke.

Wie Nerds auf der ganzen Welt hatte Heymans einen kleinen Kreis kluger, aber gesellschaftlich geächteter Freunde. „Wenn man akademisch begabt war, galt man eigentlich als etwas traurig“, erzählte mir ihre Jugendfreundin Esther Gamble. „Aber es machte uns nichts aus – wir hatten einander und unsere kleine Gruppe von Geeks.“ (Gamble ist jetzt Rechtsanwältin.) An der Hitchin-Mädchenschule, die heute eine der wenigen verbliebenen gleichgeschlechtlichen staatlichen Schulen im Land ist, hatte Heymans das Gefühl, dass sie die Möglichkeit hatte, in ihren Naturwissenschafts- und Mathematikklassen eine Führungsrolle zu übernehmen. „Wenn man eine zufällige Umfrage unter weiblichen Physikern durchführt, stellt man fest, dass die Mehrheit von ihnen gleichgeschlechtliche Schulen besucht hat“, sagte sie. Ihr Interesse an der Astronomie wurde von einer weltraumbegeisterten Lehrerin geweckt, die eine internationale Exkursion zum Kennedy Space Center der NASA in Florida organisierte. „Wir hatten keine Familien, die genug Geld hatten, um uns zu schicken, und wir waren sehr eifersüchtig auf jeden, der gehen durfte“, erinnert sich Gamble.

Als Vorläufer ihrer langen Covid-Erkrankung infizierte sich Heymans kurz vor ihrem GCSE mit dem Epstein-Barr-Virus und verbrachte das nächste Jahr mit Drüsenfieber im Bett. „Ich habe diesen kleinen Teil meines Lebens sozusagen in einem Teil meines Gehirns abgelegt, an den ich nicht gerne denken wollte“, erzählte sie mir. „Aber zum Teil, weil meine Tochter jetzt in diesem Alter ist“ – Heymans hat zwei Jungen und ein Mädchen – „schaue ich sie irgendwie an und denke: ‚Oh ja, nein, wir haben nie die Dinge getan, die du gerade tust.‘ , weil ich geschlafen habe.‘“ Wenn sie in diesem Jahr nicht schlief, schaute sie abwechselnd tagsüber fern und brachte sich im Bett selbst das A-Level-Physik bei. „Es ist ziemlich ähnlich wie ich jetzt arbeite – außer dass ich tagsüber nicht fernsehe, weil das seelenzerstörend ist“, sagte sie.

Obwohl sich ihr Gesundheitszustand langsam verbesserte, fühlte sich Heymans nach einem Jahr, das sie größtenteils allein verbrachte, deprimiert. Doch dann bekam sie einen kleinen „Kick“, der ihr half, sich vollständig zu erholen. „Er wird mich wahrscheinlich umbringen, weil ich das gesagt habe, aber ich habe meinen Partner kennengelernt“, sagte sie. Die örtlichen Schulen hatten einen Ausflug nach Oxford organisiert, um die Universität zu besichtigen, und sie hatte die Kraft aufgebracht, in den Bus zu steigen. Auch Rory MacLeods Eltern hatten ihn dazu angehalten. „Wir haben uns unterhalten und dann – ja“, fuhr sie fort. „Wir sind seit unserem 17. Lebensjahr zusammen.“ Heymans und der in Schottland geborene MacLeod beschlossen, gemeinsam an die University of Edinburgh zu gehen.

Als sie 1996 in Edinburgh ankam, war Heymans eine von nur einer Handvoll Frauen in einer Kohorte von fast 100 Physikstudenten. Alle ihre Professoren waren Männer. Um ihr Studium zu finanzieren, arbeitete sie in Bars, als Kindermädchen und als Reiseleiterin am Royal Observatory, wo sie heute ihr Büro hat. Im Observatorium überzeugte sie die ehrfürchtige Reaktion eines Jungen, als er zum ersten Mal die Ringe des Saturn sah, ihr Leben der Erforschung des Weltraums zu widmen.

Im Jahr 1998 begann sie, sich für die Kosmologie, die Erforschung des Universums als Ganzes, zu interessieren. Im Mai dieses Jahres veröffentlichte Adam Riess den ersten Entwurf eines bahnbrechenden Artikels, der zu belegen schien, dass sich die Expansion des Universums entgegen den vorherrschenden Theorien beschleunigte. Wenn sich das Universum immer schneller ausdehnte, musste es eine zusätzliche Energieform geben, die es immer weiter ausdehnte. „Ich dachte nur ‚Wow, so cool‘“, erzählte Heymans nachdenklich, mit der selbstbewussten geekigen Ehrfurcht, die sie oft an den Tag legt, wenn sie über die Rätsel des Kosmos spricht. (Noch heute reagiert sie auf das Universum so, wie andere Menschen reagieren würden, wenn sie ihren Lieblingsfilmstar treffen.)

Diese Kraft wurde als dunkle Energie bekannt. Als Heymans 1998 davon hörte, dachte sie: „Das möchte ich in meiner Doktorarbeit lösen.“ Der Versuch, die Natur der dunklen Energie innerhalb von drei Jahren zu entdecken, erwies sich als lächerliches Unterfangen – „so lächerlich“, sagte Heymans. Aber es war auch ein frühes Zeichen ihres Eifers, sich ernsten Problemen zu stellen, deren Lösung außergewöhnliche Kreativität erfordert. „Das ist etwas, was die Leute in der Wissenschaft nicht verstehen“, sagte sie. „Sie denken, dass man, um kreativ zu sein, Künstler oder Schriftsteller sein muss. Aber Wissenschaft ist wahrscheinlich der kreativste Beruf, den es gibt, weil man Fragen stellt, auf die niemand die Antwort weiß.“

„Seit 20 Jahren fange ich das Licht in abgelegenen Observatorien auf Berggipfeln auf der ganzen Welt ein“, sagte Heymans 2018 einem Publikum. Im australischen Outback und im chilenischen Hochland, an den schneebedeckten Hängen eines 4.000 m hohen Berges Meterhohen hawaiianischen Vulkan und mit dem Hubble-Weltraumteleskop hat sie Licht von mehr als 100 Meter großen Galaxien eingefangen. Ihre Arbeit wurde durch die wachsende Leistungsfähigkeit von Teleskopen, Kameras und Computern erleichtert, die es Kosmologen ermöglicht haben, in Ecken des Universums vorzudringen, die sie zuvor nie sehen konnten.

Heymans‘ Spezialität ist als schwacher Gravitationslinseneffekt bekannt, eine leistungsstarke, aber teuflisch komplexe Methode zur Kartierung der Verteilung der Dunklen Materie im Universum. Bei der Methode wird untersucht, wie sich der Weg des Lichts biegt, wenn es von bis zu 10 Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxien zur Erde wandert. Diese Biegung wird durch die Schwerkraft verursacht, die den Raum, durch den sich das Licht bewegt, krümmt. Das Ausmaß der Schwerkraft in einem bestimmten Raumbereich und damit das Ausmaß der Krümmung hängt davon ab, wie viel Masse sich in diesem Bereich befindet. (Wenn Sie jemals dazu ermutigt wurden, sich den Weltraum als eine Decke vorzustellen, die unter dem Gewicht einer Bowlingkugel herabhängt, wissen Sie ungefähr, wovon ich spreche.) Da dunkle Materie den größten Teil der Masse und Schwerkraft im Universum ausmacht, umso mehr Je gebeugter das Licht auf seiner Reise ist, desto mehr dunkle Materie hat es passiert. Die Aufzeichnung des Lichtdurchgangs durch weite Teile des Himmels kann es Wissenschaftlern daher ermöglichen, zu kartieren, wie viel dunkle Materie es im Universum gibt und wo. Das wiederum kann uns wichtige Erkenntnisse darüber verraten, wie auch dunkle Energie den Kosmos geformt hat.

Als Heymans im Jahr 2000 ihr DPhil in Oxford begann, verstand noch niemand, wie man schwache Linsen richtig macht. Aber sie war begeistert von den Möglichkeiten und Herausforderungen, die sich daraus ergaben. „Ich dachte: ‚Das ist neu, das ist aufregend und das kann mir sagen, was dunkle Energie ist!‘“ Sie verbrachte einen Teil ihres DPhil in einem Observatorium am Rande eines Vulkans auf den Kanarischen Inseln, fand die Kamera aber dort Die Zeit reichte nicht aus, um wirklich schwache Linsenforschung zu betreiben. Stattdessen „lernte sie Spanisch, trank viel Whisky zum Frühstück, lernte, wie man Eis mit flüssigem Stickstoff herstellt“, der vom Fass zur Verfügung stand, um die Instrumente kühl zu halten.

Schwaches Lensing erfordert die Sammlung und Analyse großer Datenmengen, was eine anspruchsvolle Rechenaufgabe darstellt. Während ihres DPhil war Heymans Mitautorin einer Computersoftware zur Messung der Formen entfernter Galaxien, um zu verstehen, wie Schwerkraft, Atmosphäre und Teleskope den Weg ihres Lichts verzerrten. „Es war eine brillante Idee“, erinnert sie sich mit selbstironischem Stolz, „aber wir hatten absolut keine Möglichkeit, die Computerleistung zu nutzen, um sie zu nutzen.“ Fünf Jahre später waren die Maschinen jedoch leistungsfähig genug, um ihren Code nutzbar zu machen. Kosmologen verwenden es noch heute.

Nach ihrem DPhil gewann Heymans Stipendien in Deutschland, Kanada und Frankreich und beschritt weiterhin neue Wege bei der Kartierung des Universums mithilfe schwacher Linsen. Als sie um die Welt reiste, war MacLeod „so freundlich, mir zu folgen“, sagte sie. Er hatte Biologie studiert, sich aber zum Englischlehrer umschulen lassen, weil es ein einfacher Job war, mit dem man reisen konnte. Dann, Ende 20, beschloss er, Kinder zu haben. „Ich sagte: ‚Man kann nicht gleichzeitig Kinder haben und ein hochfliegender Astrophysiker sein‘“, erinnert sich Heymans. (Vera Rubin, die vier Kinder hatte, war eine bemerkenswerte Ausnahme.) Aber MacLeod sagte, er würde den Großteil der Kinderbetreuung übernehmen. 2006 bekamen sie ihr erstes Kind. (MacLeod lehnte ein Interview für diesen Artikel ab; Heymans sagte mir, er wolle in ihrem Berufsleben „seine Unsichtbarkeit bewahren“.)

Als 2009 ihr zweites Kind zur Welt kam, hatte Heymans ihre Gravitationslinsentechniken erheblich verfeinert und leitete ein Forscherteam, das das dunkle Universum erforschte. Eine weitere Revolution in der Kosmologie war im Gange. Das Klischee vom einsamen Genie verschwand in der Geschichte. Die neue Wissenschaft war ein immer größeres soziales Unterfangen. In ihren öffentlichen Vorträgen zeigt die in Sri Lanka geborene britische Kosmologin Hiranya Peiris häufig eine Reihe von Fotos der Teams, die dabei geholfen haben, den kosmischen Mikrowellenhintergrund zu entdecken und zu kartieren. Das erste zeigt die vier weißen Männer, zwei in Princeton und zwei in den Bell Labs, die in den 1960er Jahren den Mikrowellenhintergrund entdeckten. Die zweite zeigt einige der etwa 18 Personen, die es in den 1990er Jahren mit George Smoot kartografierten, fast alle von ihnen waren weiße Männer. Das nächste Foto zeigt Peiris und einige der anderen Mitglieder eines 30-köpfigen Teams, das Anfang der 2000er Jahre noch detailliertere Messungen des Mikrowellenhintergrunds durchführte; nur eine Handvoll waren Farbige oder Frauen. Im Jahr 2010 zählte das Team des Planck-Weltraumobservatoriums der Europäischen Weltraumorganisation, das die bisher genauesten Messungen des Mikrowellenhintergrunds durchgeführt hat, mehr als 300 Mitglieder aus aller Welt, darunter viele Frauen.

„Das ist doch das Motto der Wissenschaft, nicht wahr?“ sagte Heymans. „Wenn man in der Geschichte zurückblickt, drehte sich alles um Konkurrenz. Man liest Geschichten über Newton und Hooke, die sich über die Natur des Lichts stritten, und über Hubble und Sandage, die sich darüber stritten, wie schnell sich das Universum ausdehnte. Ich denke wirklich, dass die Wissenschaft das nicht sein sollte So jetzt. Wir haben alle Covid-Entwicklungen gesehen, die passiert sind, weil Menschen Daten austauschen und zusammenarbeiten. Das ist also die Richtung, in die sich die Kosmologie bewegt – große Projekte, die zusammenarbeiten.“

Als die Ära der Präzisionskosmologie anbrach und die Ergebnisse von Heymans und ihrem Team nicht mehr mit dem kosmologischen Standardmodell übereinstimmten, machte sie sich Sorgen. Ein anderes Universum als das zu postulieren, das sich aus den Ergebnissen der Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ergab, die von einigen der herausragendsten Wissenschaftler auf diesem Gebiet geleitet wurde, war eine Ketzerei. „Mein erster Gedanke war: ‚Oh Gott, ich habe etwas falsch gemacht‘“, erinnert sich Heymans. „Ich denke immer, dass ich etwas falsch gemacht habe, das liegt einfach in mir. Und Planck war die ultimative kosmologische Studie, der heilige Gral. Für uns war es also ein Problem, damit nicht einverstanden zu sein.“

Wissenschaftlich gesehen handelte es sich um eine „Spannung“. Viele wissenschaftliche Messungen weisen ein gewisses Maß an Ungenauigkeit auf, und gute Wissenschaft erfordert eine genaue Schätzung sowohl des Bereichs, in den eine Antwort wahrscheinlich fallen wird, als auch der Wahrscheinlichkeit, dass die Wahrheit woanders liegt. Ein häufiges Beispiel ist, dass Meteorologen sagen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass am nächsten Tag ein bis zwei Zoll Regen fallen, bei 95 % liegt – eine Schätzung, die die Möglichkeit eines Regengusses offen lässt oder dass Sie Ihren Regenschirm möglicherweise gar nicht brauchen.

Aber wenn ein Meteorologe sagt, dass es eine 95-prozentige Chance auf 20 Zentimeter Regen gibt, und ein anderer sagt, dass es eine 95-prozentige Chance auf reinen Sonnenschein gibt, dann haben Sie eine Spannung oder, schlimmer noch, eine Krise. Sie können ziemlich sicher sein, dass entweder einer der Wissenschaftler einen Fehler gemacht hat oder dass mit dem Modell, das sie für ihre Vorhersagen verwenden, etwas völlig falsch ist. Im Jahr 2013 entstand eine unwahrscheinlich große Lücke zwischen der Spanne, die das Standardmodell für die Klumpigkeit des Universums vorhersagte, und der Spanne, die Heymans und ihr Team gefunden hatten.

Heymans wollte unbedingt, dass ihre Messungen mit Planck und dem Standardmodell übereinstimmen. Unter anderem befürchtete sie, dass ihr die Finanzierung ihrer zukünftigen Projekte entgehen könnte, wenn ihre Ergebnisse falsch wären oder weiterhin außerhalb des Mainstreams blieben. Doch als ihre nächsten großen Ergebnisse im Jahr 2017 veröffentlicht wurden, stimmten sie noch stärker nicht mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Die Anomalie, die sie entdeckte, erschien ihr zunehmend weniger wie ein Fehler als vielmehr wie eine mögliche Entdeckung. „Ich fühlte mich weniger schlecht – als würde ich nicht mehr die Zeit aller verschwenden“, sagte Heymans.

Die Reaktion ihrer Kollegen war nicht durchweg positiv. Insbesondere der Cambridge-Professor George Efstathiou, einer der „Väter“ der Planck-Mission, war davon überzeugt, dass Heymans einen Fehler begangen hatte. „Wir mögen uns jetzt wirklich“, sagte Heymans. „Aber als ich ein junger Akademiker war, war er gewissermaßen der Anführer der Frage: ‚Du machst etwas falsch, du weißt nicht, was du tust.‘“, sagte Efstathiou in der Frage-und-Antwort-Runde nach ihren öffentlichen Vorträgen gern Bitten Sie sie, dem Publikum zu erzählen, was sie falsch gemacht hat. „Ich hatte nicht den Mut zu sagen: ‚George, kannst du dem Publikum sagen, was dein Team falsch gemacht hat?‘“, sagte sie 2017 der Zeitschrift New Scientist.

Die Ergebnisse von Heymans waren nicht die einzigen, die jetzt im Widerspruch zum Standardmodell standen. Als die ersten Planck-Ergebnisse veröffentlicht wurden, erkannte Adam Riess bald, dass das jüngste Universum schneller wuchs, als Planck und das Standardmodell vorhersagten. „Zum Glück hat er einen Nobelpreis, also werden die Leute auf keinen Fall zu ihm sagen: ‚Du weißt nicht, was du tust‘“, scherzte Heymans.

„Wir haben die Phasen der Trauer durchlaufen – Verleugnung, Wut und so weiter“, erzählte mir Riess kürzlich und dachte an die Zeit, in der ihm und seinem Team klar wurde, dass sie mit dem Standardmodell nicht mehr einverstanden waren. Es wurden Vorwürfe laut, wer in seinen Analysen falsch lag und wie. „Aber seitdem wurde viel Arbeit geleistet und wir haben jetzt ein viel besseres Ergebnis“, fuhr Riess fort. Seine Teams haben für ihre Beobachtungen mehr als 1.000 Umlaufbahnen des Hubble-Weltraumteleskops genutzt – eine enorme Investition wissenschaftlicher Ressourcen. Ähnliches geschah mit den Ergebnissen von Heymans. „Bei unseren schwachen Linsenmessungen gab es viele Verbesserungen“, sagte Heymans. „Mittlerweile gibt es drei verschiedene Teams, und alle stellen dasselbe fest wie wir vor zehn Jahren.“

Nicht alle sind sich darüber einig, dass es in diesem Bereich eine Krise gibt oder, wenn es eine Krise gibt, genau dort, wo sie liegt. Efstathiou nimmt Heymans‘ Erkenntnisse über die Struktur des Universums ernst. Aber er ist nicht davon überzeugt, dass sie eine Überarbeitung der Physik, wie wir sie kennen, mit sich bringen werden; Stattdessen hat er zusammen mit einer ehemaligen Doktorandin von Heymans, Alexandra Amon, vorgeschlagen, dass die Ergebnisse von Heymans auf etwas Alltäglicheres zurückzuführen sein könnten, beispielsweise auf die chaotische Art und Weise, wie sich Galaxien entwickeln. Er argumentierte kürzlich, dass es immer noch durchaus plausibel sei, dass Physiker in 50 Jahren sagen werden, dass das kosmologische Standardmodell das Universum „bis in die Tiefe“ beschreibt. (Es gibt auch entfernte Ausreißer in der aktuellen kosmologischen Landschaft, wie Pavel Kroupa von der Universität Bonn, der das Standardmodell und das dunkle Universum insgesamt ablehnt.)

Riess hofft, dass sich die Gemeinschaft als Ganzes dem letzten Stadium der Trauer nähert: der Akzeptanz, dass mit dem Standardmodell tatsächlich etwas nicht stimmen könnte. Ja, es ist überraschend, in einem so soliden theoretischen Gebäude Risse zu finden. Aber er fragte: „Was bedeutet Überraschen in einem Universum, das wir nicht verstehen?“ Als Heymans über die Lage auf dem Feld nachdachte, schlug sie einen Ton theatralischer Verzweiflung gemischt mit Verwunderung an: „Wir wissen so viel und doch … so wenig!“

Nachdem Heymans im Frühjahr 2022 erkrankte, verfasste sie eine automatische Antwortnachricht, die sie noch heute verwendet. „Sehr geehrter Absender“, heißt es darin, „Bitte nehmen Sie meine Entschuldigung entgegen, da ich derzeit wahrscheinlich nicht in der Lage sein werde, auf Ihre E-Mail zu antworten. Leider habe ich mich den mehreren Millionen in ganz Großbritannien angeschlossen, die derzeit an Long Covid leiden.“

Heymans begegnete ihrer misslichen Lage wie ein Wissenschaftler. Jemand, der Milliarden von Galaxien und unzählige Variablen untersucht, muss zwangsläufig in Daten schwelgen. Kurz nachdem sie krank geworden war, öffnete sie eine Tabelle, in der sie begann, in zweistündigen Blöcken alle ihre Symptome und Aktivitäten aufzuzeichnen. Sie versuchte zu verstehen, wie ihre Symptome mit ihrem Aktivitätsniveau zusammenhängen, um eine wissenschaftlichere Grundlage für die Steuerung ihres Wohlbefindens zu finden. Sie stellte fest, dass ihre Schmerzen in der Brust mit Sprechen und Lachen zusammenhingen, also versuchte sie, beides einzuschränken, was in ihrem Fall so etwas wie der Versuch ist, die Sonne auszulöschen. Stress verschlimmerte ihre Symptome, was sie noch gestresster machte, sodass sie „zur Achtsamkeit konvertierte“.

Ihre Genesung verlief langsam und stockend, aber sechs Monate nach der langen Covid-Erkrankung spürte Heymans erste Anzeichen einer Besserung. Anfang September erkrankte sie jedoch zum zweiten Mal an Covid. „Ein gewaltiger Rückschlag“, schrieb sie mir kurz darauf. „Obwohl ich nirgendwo hingehe oder jemanden sehe, habe ich drei Kinder, die zur Schule gehen und daher eine biologische Gefahr darstellen.“ Die gute Nachricht sei, dass ihre Kinder keine langfristigen Symptome entwickelt hätten, fuhr sie fort. „Die schlechte Nachricht ist, dass ich vom hausgebundenen Zustand zum bettlägerigen Modus übergegangen bin – wer hätte gedacht, dass es noch schlimmer kommen könnte!! Erstaunlicherweise und glücklicherweise bin ich aber immer noch ganz gesund und positiv eingestellt.“

Ende September, als die Infektion vorüber war, begann Heymans mit einer fünfwöchigen experimentellen Behandlung, um einige ihrer Symptome zu lindern. Bei der hyperbaren Sauerstofftherapie (HBOT) sitzt man 90 Minuten lang in einer Hochdruckkammer, während Sauerstoff in die Lunge gedrückt wird. (HBOT wird seit Jahren von Menschen mit myalgischer Enzephalomyelitis, allgemein bekannt als chronisches Müdigkeitssyndrom, eingesetzt, um die Symptome in Schach zu halten.) „Stellen Sie sich die Szene aus Star Wars vor, in der sich Darth Vader in einem unter Druck stehenden Tank befindet“, sagte sie mir. „Das ist mehr oder weniger das, was ich gerade durchmache – komplett mit der schwarzen Gesichtsmaske und den Schläuchen.“ Da der Druck einem 10-Meter-Unterwasserdruck entspricht, nennen Patienten die Sitzungen „Tauchgänge“.

Heymans begann, Aufzeichnungen über ihre Wochen in der Kammer zu führen, um sie mit anderen Langzeit-Covid-Patienten zu teilen, die sie „HBOT-Tagebücher“ nannte. „Ich bin wie versteinert“, schrieb sie vor einem Probetauchgang am 26. September 2022. „Das ist das erste Mal seit über einem Monat, dass ich das Haus verlasse, und die Welt da draußen ist überwältigend.“ Da es in der Kammer keine Betten gab, musste sie sitzen. „Mein Kopf fängt an zu pochen, wahrscheinlich weil ich zum ersten Mal seit langer Zeit wieder aufrecht sitze.“ Nach der Sitzung war das Treppensteigen zurück zu ihrer Wohnung oben in einem Wohnhaus in Edinburgh „wie die Besteigung des Mount Everest“. Zwei Tage später litt sie unter Schlaflosigkeit, begleitet von „der üblichen Spirale aus Verzweiflung und Schmerz“. Heymans wurde gesagt, dass die nächsten drei Behandlungswochen – vier Tauchgänge pro Woche – anstrengend sein würden. „Wenn man bedenkt, wo ich mich gerade befinde, halte ich das für eine Untertreibung“, sagte sie mir nach dem Schnuppertauchen.

In der folgenden Woche begann sie mit dem vollständigen Protokoll und fühlte sich „müde, ängstlich und schrecklich“. Im Wartezimmer traf sie einen „spirituellen Heiler“, der zu ihr kam und schweigend ihre Hände hielt. „Auch wenn wir völlig Fremde sind“ – der eine Astronom, der andere Astrologe – „ist es so tröstlich, nicht allein zu sein.“ Später in dieser Woche begannen die seltsamen Träume: „Ich habe Stunden damit verbracht, riesige französische Baguettes an Riesenenten zu verfüttern … Wird die Riesenente mich fressen?“

Long Covid ist eine äußerst unvorhersehbare und frustrierende Erkrankung und bietet keinen klaren Verlauf oder eine klare Erzählung. Einem Zusammenbruch kann leicht eine Reihe guter Tage vorausgehen. Am Ende ihrer zweiten Woche, Mitte Oktober, konnte Heymans ihrem 10-jährigen Sohn einen Kuchen zum Geburtstag backen, aber dafür brauchte sie den ganzen Tag. An einigen Abenden konnte sie mit der Familie zu Abend essen, was ihr seit über sechs Wochen nicht mehr möglich war. „Es ist so schön, ihrem Geschwätz zuzuhören und sich an den Witzen zu beteiligen“, berichtete sie. Doch drei Tage später lautete ihr Tagebucheintrag: „Glum Crash“. „Vielleicht habe ich zu viel getan, oder vielleicht ist es nur der übliche Menstruationszyklusabfall“ – sie hatte zuvor am 21. Tag ihres Zyklus, an dem der Progesteronspiegel ihren Höhepunkt erreichte, mindestens zwei große Rückschläge erlitten – „aber ich fühle mich heute wie der Tod.“

Eine Woche später gab es jedoch eine hoffnungsvolle Nachricht. Heymans schrieb: „Ich kann sehen, wie mein altes Ich zum Vorschein kommt.“ Sie hatte die gesamte 15. Sitzung damit verbracht, Computercode zu schreiben, und konnte anschließend mit einer Freundin ein kurzes Bad in der Nordsee unternehmen. Eine Woche später, Anfang November, strahlte sie: „Was für eine Verwandlung!“ Ihre Lungen- und Halsschmerzen, ihr Herzklopfen und ihre chronisch laufende Nase veränderten sich nicht und ihr Tinnitus verschlimmerte sich. Aber am Ende der fünfwöchigen Behandlung und 20 Tauchgängen gab es Verbesserungen, wenn auch keine völlige Linderung ihrer Müdigkeit, Ohrenschmerzen und der verschwommenen Sicht auf ihrem rechten Auge. Ihr Gehirnnebel und ihre Schlaflosigkeit hatten sich aufgelöst und ihre Ängste waren verschwunden. Sie hatte ihren eigenen Luftreiniger aus Luftfiltern, einem Kastenventilator und Klebeband gebaut, in der Hoffnung, das Risiko einer erneuten Infektion zu verringern.

Die Linderung ihrer Symptome war äußerst kurz. Anfang 2023 schrieb sie mir: „Ach – zwei Takte beim Lateral-Flow-Test am Heiligabend – was für ein nettes, festliches Familiengeschenk von Covid aus der Schule meiner Tochter. Ich bin wieder im Brei.“ Sie war frustriert darüber, dass trotz der Verbreitung von Long-Covid – eine Studie vom vergangenen Juni ergab, dass in Großbritannien zwei Millionen Menschen mit dieser Krankheit leben – immer noch keine Maskenpflicht besteht, aber sie hatte das Gefühl, dass sie ihre Kinder nicht dazu zwingen konnte Sei der Einzige, der es vertuscht. Ungefähr zu dieser Zeit twitterte sie einen der niederträchtigsten und wütendsten Gefühle, die ich je von ihr gehört hatte: „Ich verweigere ‚Gute Besserung‘, weil ich das Gefühl habe, dass ich in unserer ‚Lass es mal raus‘-Gesellschaft nie wieder gesund werden darf.“

„Es ist ein sehr schöner Tag und die Sonne scheint auf mein Bett, das ist wunderbar“, erzählte mir Heymans kürzlich an einem Nachmittag. Sie war „immer noch sehr auf und ab in der langen Covid-Achterbahnfahrt“ und hatte mir eine Kopie eines Cartoons geschickt, der in der Long-Covid-Community im Umlauf war. Es war eine Zeichnung eines Brettspiels namens Long Covid: All Snakes, No Ladders. Eine der Schlangen, die die Spieler 21 Felder zurückwarf, trug die Aufschrift „Cried Too Much“. Aber nicht alle Tage waren schlecht. Eines Abends im letzten Monat, mehr als ein Jahr nach ihrer Krankheit, hatte ihr Mann sie huckepack zum Strand von Portobello gefahren, wo Merkur und Venus gemeinsam am Himmel zu sehen waren. Merkur wird normalerweise von der Sonne ausgeblendet, und es war das erste Mal, dass Heymans ihn jemals gesehen hat.

Bevor sie lange an Covid erkrankte, schienen Heymans tausend Möglichkeiten zu bieten. Die Königin hatte ihre Astronomin 2021 zur königlichen Astronomin für Schottland ernannt und sie wurde seitdem als potenzielle Direktorin einiger großer wissenschaftlicher Institute angesprochen. Jetzt befürchtete sie, dass zu viele der neuesten Forschungsergebnisse an ihr vorbeigehen würden. „Vielleicht besteht meine neue Rolle, wenn das alles endlich vorbei ist, darin, die Dinge für die Leute, die hinter mir auftauchen, besser zu machen?“ fragte sie sich laut. „Um ihnen zu zeigen, dass sie diese Arbeit machen und normal sein können.“ Sie lag in ihrem Bett, begann ihr schallendes Lachen zu lachen und fügte hinzu: „Du wirst jetzt sagen, dass ich nicht normal bin.“

Auch sie hatte Phasen der Trauer durchgemacht, nicht wegen eines wissenschaftlichen Ideals, sondern wegen ihres früheren Selbst. Sie war auf dem Weg zur Akzeptanz, dass sich ihr Leben möglicherweise dauerhaft verändert hatte. „Dagegen kannst du nicht ankämpfen, und du hast nur eine festgelegte Energiemenge pro Tag, also kannst du sie nicht damit verschwenden, dich richtig aufzuregen“, sagte sie mir im April. „Man muss seine Energie darauf verwenden, Dinge zu tun, die einen erfüllen. Für mich ist das Astronomie.“

An Arbeit mangelt es Heymans nicht. Die wissenschaftlichen Fragen, die sie und ihre Mitarbeiter aufgeworfen haben, bleiben unbeantwortet. „Wenn es in der Astronomie eine große Kontroverse gibt, die man einfach nicht lösen kann, ist die Antwort immer, ein größeres Teleskop zu bauen“, scherzt sie gern. Derzeit wartet sie darauf, dass die Kuppeln am Vera-Rubin-Observatorium in der chilenischen Atacama-Wüste geöffnet werden, damit sie und ihre Kollegen damit beginnen können, die detailliertesten Bilder des Weltraums aller Zeiten zu machen. Viele Kosmologen hoffen, dass das Observatorium, das über die größte Linse und Kamera der Welt verfügt, genügend neue Informationen über das Universum liefern wird, um die Spannungen zwischen dem kosmologischen Standardmodell und den Erkenntnissen von Heymans, Riess und ihren jeweiligen Mitarbeitern aufzulösen. Es könnte Wissenschaftlern auch dabei helfen, die Natur der Dunklen Energie und Dunklen Materie zu entdecken.

Und es müssen immer größere Teleskope gebaut werden. Zu den vielen Ambitionen von Heymans gehört es, eines auf der dunklen Seite des Mondes zu bauen. Es wäre einen Kilometer breit – 30-mal größer als sein größter Rivale auf der Erde – und hätte einen vollkommen glatten Spiegel aus flüssigem Quecksilber. Es wäre immun gegen künstliches Licht, dunstige Atmosphäre und alle anderen Verunreinigungen hier auf dem Planeten. Sie träumte einmal davon, selbst zum Mond zu reisen, um durch ihn hindurchzuschauen und das Universum aus einer neuen Perspektive zu sehen.

Derzeit ist Heymans noch weitgehend an ihr Bett oder den Stuhl in der HBOT-Kammer gefesselt. Sie weiß, dass die Möglichkeit besteht, dass ihre Krankheit grundsätzlich rätselhaft bleibt, ebenso wie das Universum, das sie erforscht. Aber selbst wenn sie sich nie vollständig erholt, wird sie weiterhin jeden Morgen aufwachen, wieder arbeiten und hoffnungsvoll in die Dunkelheit blicken.

Die Berichterstattung für dieses Projekt wurde durch einen Silvers Grant for Work in Progress der Robert B. Silvers Foundation unterstützt

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