Catherine Heymans, eine der weltweit führenden Kosmologinnen
Das Universum des Standardmodells sei wie Reispudding, sagt Heymans, aber ihres sei eher wie Vanillecreme.
Illustration: Eine weibliche Figur sitzt auf einem Miniaturplaneten und blickt auf einen violett-blauen Nachthimmel voller Sterne und Planeten. Der Planet, auf dem sie sitzt, ähnelt einem Covid-Virus
Illustration: Nathalie Lees/The Guardian
Die lange Lektüre
Das dunkle Universum: Kann eine Wissenschaftlerin, die lange mit dem Covid-Virus kämpfte, die Geheimnisse des Kosmos entschlüsseln?
Seit sie vor mehr als einem Jahr an dem Virus erkrankte, kann Catherine Heymans nur noch in halbstündigen Abständen arbeiten. Dennoch könnte ihre Arbeit unser Verständnis des Universums verändern.
von Alex Blasdel
Di 2. Mai 2023 06.00 BST
Zuletzt geändert am Wed 3 May 2023 13.14 BST
Im vergangenen September sollte Catherine Heymans, eine der weltweit führenden Kosmologinnen, an Bord einer Fähre zur nördlichsten Insel des Orkney-Archipels fahren. Die Insel, North Ronaldsay, gehört zu den dunkelsten bewohnten Orten der Erde. In einer klaren Winternacht ist es leicht, sich von den Tausenden von Sternen beeindrucken zu lassen, die mit bloßem Auge sichtbar sind und ihr unverschmutztes Licht auf die Erde werfen. Heymans, die als erste Frau zur königlichen Astronomin von Schottland ernannt wurde, wollte den etwa 60 Einwohnern der Insel erklären, dass diese Sterne und der Rest des wahrnehmbaren Universums nur einen Bruchteil dessen darstellen, was unseren Kosmos ausmacht. Was sie erforscht, ist alles, was wir nicht sehen können: die Dunkelheit.
In den letzten zwei Jahrzehnten hat die 45-jährige Heymans unser Verständnis für einen riesigen, unsichtbaren Kosmos gefördert, den die Wissenschaftler gerade erst zu verstehen beginnen. Man geht davon aus, dass dieses „dunkle Universum“ mehr als 95 % von allem ausmacht, was existiert. Es besteht aus Entitäten, die geheimnisvoller sind als die gewöhnliche Materie und Energie – das Licht, die Atome, die Moleküle, die Lebensformen, die Sterne und die Galaxien -, die im Laufe der Geschichte Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen waren. In den letzten 10 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 bringen einen breiten Konsens darüber ins Wanken, wie unsere Welt in ihrem größten Maßstab funktioniert. „Ich glaube, dass wir, um das dunkle Universum wirklich zu verstehen, eine neue Physik anwenden müssen, die unsere kosmische Sichtweise für immer verändern wird“, schreibt sie.
Heymans ist mit dieser Ansicht nicht allein. Im Laufe des 20. Jahrhunderts haben Wissenschaftler eine außerordentlich präzise Beschreibung der fast 14 Milliarden Jahre umfassenden Geschichte des Universums entwickelt. Doch immer mehr Wissenschaftler vermuten, dass dieses Modell stark eingeschränkt oder sogar zerbrochen sein könnte. Einige führende Astrophysiker haben vor kurzem erklärt, dass wir in eine Ära der kosmologischen Krise eingetreten sind, die von der Entdeckung neuer Elementarteilchen bis hin zu einer neuen Theorie der Schwerkraft alles hervorbringen könnte. „Der Nobelpreisträger Adam Riess, eine weitere Schlüsselfigur im derzeitigen Umbruch der Kosmologie, sagte mir kürzlich: „Die Verbreitung von Ideen ist so groß wie nie zuvor.
Sechs Monate vor ihrer geplanten Reise nach North Ronaldsay ging es Heymans wie vielen anderen Wissenschaftlern von Weltrang: Sie arbeitete mindestens 12 Stunden am Tag und hatte einen übervollen Terminkalender mit internationalen Reisen. Allein im Juli sollte sie an drei internationalen Konferenzen teilnehmen, zusammen mit Sir Martin Rees bei einem Ideenfestival mit dem Titel Astronomer Royal meets Astronomer Royal auf der Bühne stehen und Do You Matter? aufführen, eine der Standup-Comedy-Shows, die sie seit 2017 mit ihrem Astrophysiker-Kollegen Joe Zuntz macht. (Die Betrachtung eines verpixelten Bildes ferner Galaxien ist „wie der Blick auf Ihre japanische Lieblingspornografie“, so einer ihrer kantigeren Witze). Außerdem sollte sie die Herschel-Medaille der Royal Astronomical Society für „Untersuchungen mit herausragenden Verdiensten in der beobachtenden Astrophysik“ erhalten. Dazwischen sollte sie zwischen der Universität Edinburgh, wo sie Professorin für beobachtende Kosmologie ist, und der Ruhr-Universität Bochum hin- und herpendeln, wo sie einen renommierten, mit 1,5 Millionen Euro dotierten Max-Planck-Humboldt-Preis nutzt, den sie 2018 erhielt, um ein Zentrum zur Erforschung des dunklen Universums zu leiten.
Catherine Heymans in der Königlichen Sternwarte in Edinburgh im Juni 2021.
Catherine Heymans in der Königlichen Sternwarte in Edinburgh im Juni 2021. Photographie: Katherine Anne Rose/Der Beobachter
Doch dann, im März 2022, erkrankten Heymans und ihre Familie an Covid. Während sich ihr Partner und ihre drei Kinder relativ schnell erholten, fühlte sie sich noch einige Wochen später sehr schlecht. „Seltsame Krankheit, aber ich versuche, geduldig zu sein“, schrieb sie mir per E-Mail. Wir wollten uns noch in diesem Sommer in Europa und im Herbst in Schottland treffen. Zwei Monate später meldete sie sich jedoch, um mir mitzuteilen, dass sich ihr Gesundheitszustand verschlechterte – „ein langsamer und stetiger Verfall“, schrieb Heymans, die normalerweise einen sonnigen Optimismus ausstrahlt. „Leider kämpfe ich mit einem langen Covid“, schrieb sie. Im Juli erhielt ich eine Nachricht von ihr, in der es hieß: „Leider muss ich sagen, dass das lange Covid mein Leben bis auf Weiteres beendet hat.“ In den Wochen zuvor war sie ans Haus gefesselt gewesen und konnte kaum sprechen.
Aber sie arbeitete noch. In einem dunklen Raum, der nur vom grellen Licht ihres Laptop-Bildschirms erhellt wurde, beantwortete Heymans E-Mails und überprüfte den Computercode für eine internationale Zusammenarbeit zur Erforschung des dunklen Universums. Nach einer halben Stunde schrillte der Alarm, und sie tippte eine Notiz, um ihr zukünftiges Ich daran zu erinnern, woran sie gerade arbeitete. Dann klappte sie den Laptop zu und legte sich in die Stille oder schlief ein. (Der Versuch, sich körperlich oder geistig zu überanstrengen, führt bei Menschen, die lange unter Covid leiden, häufig zu einem längeren Zusammenbruch.) Sobald sie sich dazu in der Lage fühlte, stand sie auf, klappte ihren Laptop auf, las die Notiz und arbeitete weiter. Diesen Zyklus wiederholte sie mehrmals am Tag. Dann aß sie mit ihrer Familie auf dem Sofa liegend ein karges Abendessen – Covid hatte ihr den Appetit genommen – und schlief den Rest der Nacht unruhig, wobei sie häufig vor Schmerzen oder Panik aufwachte.
Am nächsten Morgen würde Heymans die Arbeit wieder aufnehmen. Aus der Enge ihres Lebens heraus versuchte sie immer noch, der Menschheit zu helfen, tiefer ins Universum zu blicken. „Ich habe 20 Jahre darauf gewartet, dass die Wissenschaft so weit fortschreitet“, sagte sie mir kürzlich. „Ich werde jetzt nicht aufgeben.“
Die vielleicht tiefgreifendste Erkenntnis der gesamten Kosmologie ist, dass unser Universum eine Geschichte hat. Es hat nicht ewig und unveränderlich existiert; es wurde geboren und entwickelt sich weiter. Das Ziel der Kosmologie ist es, die Geschichte dieser Entwicklung zu erzählen und die physikalischen Prozesse zu erklären, die sie steuern. Wissenschaftler tun dies in der Sprache der Mathematik, mit einer Reihe von Gleichungen, die beschreiben, wie sich das Universum verändert. Diese Gleichungen und die Geschichten, die wir erzählen, um ihnen einen intuitiven Sinn zu geben, werden als „Modelle“ des Universums bezeichnet. Je besser das Modell ist – je genauer es die Welt, wie wir sie beobachten, beschreibt -, desto tiefer gehen wir davon aus, dass wir das Universum verstehen. Was Heymans‘ Arbeit so auffällig macht, ist, dass sie dem genauesten Modell des Universums widerspricht, 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. Neben dem Urknall umfasst das Modell auch die beiden rätselhaften Bestandteile des dunklen Universums, die Heymans untersucht. Die eine ist die „dunkle Materie“, die kein Licht aussendet, reflektiert oder absorbiert, aber die Anziehungskraft der Schwerkraft ausübt. Die Existenz dunkler Materie hilft zu erklären, warum Galaxien nicht auseinandergerissen werden, während sie durch die Leere wirbeln. „Wenn es nur die Materie gäbe, die wir sehen, würden die Sterne einfach in den Weltraum hinausfliegen“, erklärt Heymans in einem ihrer öffentlichen Auftritte. Der andere Bestandteil ist die „dunkle Energie“, die das Universum dazu bringt, sich immer schneller auszudehnen. Dunkle Energie und dunkle Materie „liefern sich einen epischen Kampf kosmischen Ausmaßes“, wie Heymans zu sagen pflegt – erstere reißt den Kosmos auseinander, letztere versucht, ihn enger zusammenzuhalten. Man geht heute davon aus, dass dunkle Materie und dunkle Energie mehr als 95 % des Universums ausmachen, die gewöhnliche Materie weniger als 5 %.
Der Urknall, die dunkle Materie und die dunkle Energie bilden zusammen mit den aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie abgeleiteten Gleichungen das so genannte „kosmologische Standardmodell“ des Universums. Wir können dieses Modell testen, indem wir einen Blick in die Vergangenheit werfen, um das Universum in seinen Anfängen zu untersuchen. Da das Licht Zeit braucht, um zu uns zu gelangen, sehen wir das Universum, wenn wir ins All blicken, nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt, sondern zu vielen verschiedenen Zeiten. Es ist so, als ob wir ein zusammengesetztes Bild des Gesichts einer Person betrachten, das aus Milliarden fragmentarischer Fotografien besteht – eine Sommersprosse aus dem Kleinkindalter, eine Falte aus den 60er Jahren -, die im Laufe des gesamten Lebens aufgenommen wurden. Wenn man das richtige kosmologische Modell hat, dann sollte man in der Lage sein, die Teile des Universums, die man zu einem bestimmten Zeitpunkt sieht, durch die Gleichungen des Modells laufen zu lassen und das Universum auszuspucken, das man zu einem anderen Zeitpunkt sieht – und damit zu beweisen, dass das Verständnis des Universums korrekt ist.
Ein Bild des Galaxienhaufens Abell 901/902, wobei die magentafarbenen Flecken die dunkle Materie darstellen.
Ein Bild des Abell-Galaxienhaufens 901/902, bei dem die magentafarbenen Flecken für die dunkle Materie stehen. Foto: Alamy
Die weiteste Zeitspanne, die wir sehen können, liegt fast 14 Milliarden Jahre zurück, bis zu einem Moment nur 380.000 Jahre nach dem Urknall, als das Licht in alle Richtungen durch das Universum schoss. Dieser frühe Lichteinfall brummt noch immer durch den Weltraum in Form von Mikrowellen, die weit außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen. Wissenschaftler nennen dies den „kosmischen Mikrowellenhintergrund“. Die Kartierung feiner Unterschiede in der Temperatur dieser Mikrowellen gibt uns ein Bild davon, wo Materie und Energie im gesamten frühen Universum verteilt waren. Als der Astrophysiker und spätere Nobelpreisträger George Smoot 1992 die ersten detaillierten Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds bewunderte, bemerkte er: „Es ist, als würde man Gott sehen: „Es ist, als würde man Gott sehen.“
Mitte der 2010er Jahre waren die Karten des Hintergrunds so genau, dass Physiker erklärten, die Menschheit sei endlich in die Ära der „Präzisionskosmologie“ eingetreten. „In den letzten 20 Jahren wurde mehr über die großräumige Struktur und die Geschichte des sichtbaren Kosmos entdeckt als in der gesamten Menschheitsgeschichte zuvor“, sagte der Wissenschaftsphilosoph Tim Maudlin 2014. In der Zwischenzeit schien das kosmologische Standardmodell diese immer detaillierteren Karten des jungen Universums auf beeindruckende Weise mit dem Universum zu verbinden, das wir in der jüngsten Vergangenheit um uns herum gesehen haben. Einige Physiker waren der Meinung, dass wir nur noch herausfinden müssten, woraus die dunkle Materie und die dunkle Energie genau bestehen, und unser Wissen über die Funktionsweise des Universums auf den größten Ebenen wäre vollständig.
Heymans war einer der ersten, der einen Riss im Standardmodell entdeckte. Als im März 2013 die ersten ultrapräzisen Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds vom Planck-Observatorium der Europäischen Weltraumorganisation veröffentlicht wurden, entsprachen sie den Vorhersagen des Standardmodells mit äußerster Präzision. Doch Heymans stellte schnell fest, dass diese Karten nicht mehr mit einer der Messungen übereinstimmten, die sie für das jüngere Universum vornahm. Sie stellte fest, dass das jüngere Universum weniger großräumige Strukturen aufwies – weniger Galaxienklumpen und -haufen – als unsere Karten des frühen Universums vermuten ließen. Das Universum des Standardmodells sei wie Reispudding, sagt Heymans gerne, aber ihres sei eher wie Pudding. Entweder hatte Heymans einen großen Fehler begangen, oder mit dem Standardmodell stimmte etwas nicht.
Zunächst nahmen nur wenige Menschen Heymans‘ Erkenntnisse ernst. „Niemand glaubte mir, denn ich war damals kein Professor und schon gar kein königlicher Astronom“, sagte Heymans. „Ich war nur eine einfache Dozentin mit einem neugeborenen Baby, und die Leute sagten einfach: ‚Nein, Sie machen etwas falsch.'“
Heymans ist am besten, wenn sie vor einer Herausforderung steht. „Sie ist sehr kreativ und versteht, was die wichtigen Probleme sind“, sagt der Astrophysiker Alan Heavens, der Heymans als Student unterrichtete und im Laufe der Jahre viele Arbeiten mit ihr geschrieben hat. Außerdem ist sie ungeheuer fleißig und unerschöpflich enthusiastisch. Früher wachte sie um 4.30 Uhr auf, bereitete das Abendessen für ihre Familie vor und nahm dann den frühesten Bus von ihrem Haus in Portobello, einem Vorort von Edinburgh, zum Fuß des Blackford Hill. Sie sagt, sie würde buchstäblich den Hügel hinauf zum Royal Edinburgh Observatory hüpfen, um vor allen anderen zur Arbeit zu kommen. „Schlaf wird überbewertet“, sagte sie mir kürzlich während eines ihrer halbstündigen Arbeitsblöcke. „Nun, jetzt habe ich viel davon – aber früher habe ich nicht viel geschlafen.
Bevor sie ein langes Covid entwickelte, war Heymans nach eigener Beschreibung „effizient, aufbrausend und unaufhaltsam“ (außerdem „dumm groß“ – sie ist 1,80 m groß). Heute bezeichnet sie sich selbst als „belastbar“. Selbst unter dem Einfluss ihrer Krankheit schließt sie fast jeden Satz mit einem Lachen ab. Seit dem Studium besitzt sie kein Handy mehr, unter anderem weil sie eine „ziemlich süchtige Persönlichkeit“ ist und befürchtet, dass es sie von Arbeit und Familie ablenken würde. Sie hat sich fast nie geschminkt, weil sie „einfach nicht genug Zeit hat, sich zu schminken“, sagt sie. „Das Ärgerliche an Catherine ist, dass sie produktiver ist, wenn sie zwei Drittel des Tages schläft, als ich es zu meinen besten Zeiten bin“, sagt Zuntz, ihr Comedy-Partner und Kollege an der Universität Edinburgh.
Heymans wurde 1978 geboren, und die Familie erzählt, dass sie im Alter von sechs Jahren beschloss, entweder Astrophysikerin oder Gehirnchirurgin zu werden, nachdem sie ihre Grundschullehrerin gefragt hatte, was der härteste Beruf der Welt sei. Ihre Eltern waren verblüfft, sagt sie: „Sie waren sehr stolz, aber sie haben immer wieder versucht, mich in geeignetere Berufe zu lenken.“ Die Familie lebte in Hitchin, Hertfordshire, im Pendlergürtel der heimischen Grafschaften.
Wie alle Nerds auf der Welt hatten auch die Heymans einen kleinen Kreis kluger, aber gesellschaftlich geächteter Freunde. „Wenn man akademisch begabt war, galt man als ein bisschen traurig“, erzählte mir ihre Jugendfreundin Esther Gamble. „Aber das machte uns nichts aus – wir hatten uns und unsere kleine Gruppe von Strebern.“ (Gamble ist heute Anwältin.) An der Mädchenschule in Hitchin, die heute eine der wenigen staatlichen Schulen mit nur einem Geschlecht ist, hatte Heymans das Gefühl, dass sie die Möglichkeit hatte, in ihren naturwissenschaftlichen und mathematischen Klassen eine führende Rolle zu spielen. „Wenn man eine zufällige Umfrage unter Physikerinnen durchführt, wird man feststellen, dass die meisten von ihnen auf Einheitsschulen gegangen sind“, sagte sie. Ihr Interesse an der Astronomie wurde von einem Lehrer geweckt, der sich für den Weltraum begeisterte und eine internationale Exkursion zum Kennedy Space Center der Nasa in Florida organisierte. „Wir hatten keine Familien, die genug Geld hatten, um uns dorthin zu schicken, und wir waren sehr neidisch auf alle, die mitfahren durften“, erinnert sich Gamble.
Kurz vor ihrem Abitur erkrankte Heymans am Epstein-Barr-Virus und verbrachte das folgende Jahr mit Drüsenfieber im Bett. „Ich hatte diesen kleinen Teil meines Lebens in einem Teil meines Gehirns abgelegt, an den ich nicht gerne denke“, sagte sie mir. „Aber zum Teil, weil meine Tochter jetzt in diesem Alter ist“ – Heymans hat zwei Jungen und ein Mädchen – „schaue ich sie an und denke: ‚Oh, ja, nein, wir haben nie die Dinge getan, die du jetzt tust, weil ich geschlafen habe.'“ Wenn sie in diesem Jahr nicht schlief, schaute sie abwechselnd Tagesfernsehen und brachte sich im Bett Physik für das Abitur bei. „Es ist ziemlich ähnlich, wie ich jetzt arbeite – nur ohne Tagesfernsehen, denn das zerstört die Seele“, sagte sie.
Prof. Catherine Heymans (in der Maske) spricht bei der offiziellen Eröffnung des Aberdeen Science Centre (ASC) im Oktober 2021
Heymans bei der offiziellen Eröffnung des Aberdeen Science Centre im Oktober 2021. Foto: Aberdeen Science Centre
Obwohl sich ihr Gesundheitszustand langsam verbesserte, fühlte sich Heymans nach einem Jahr, das sie überwiegend allein verbrachte, deprimiert. Doch dann bekam sie einen kleinen „Kick“, der ihr half, sich vollständig zu erholen. „Er wird mich wahrscheinlich umbringen, wenn ich das sage, aber ich habe meinen Partner getroffen“, sagte sie. Die örtlichen Schulen hatten einen Ausflug nach Oxford organisiert, um sich die Universität anzuschauen, und sie hatte die Kraft aufgebracht, in den Bus zu steigen. Die Eltern von Rory MacLeod hatten ihn auch mitgenommen. „Wir kamen ins Gespräch und dann – ja“, fuhr sie fort. „Wir sind zusammen, seit wir 17 sind.“ Heymans und der in Schottland geborene MacLeod beschlossen, gemeinsam an die Universität von Edinburgh zu gehen.
Als sie 1996 in Edinburgh ankam, war Heymans eine von nur einer Handvoll Frauen in einer Gruppe von fast 100 Physikstudenten. Alle ihre Professoren waren Männer. Um ihr Studium zu finanzieren, arbeitete sie in Bars, als Kindermädchen und als Fremdenführerin im Royal Observatory, wo sie heute ihr Büro hat. In der Sternwarte überzeugte sie die ehrfürchtige Reaktion eines Jungen, der zum ersten Mal die Ringe des Saturns sah, davon, ihr Leben der Erforschung des Weltraums zu widmen.
Im Jahr 1998 begann sie, sich für die Kosmologie zu interessieren, die Erforschung des Universums als Ganzes. Im Mai desselben Jahres veröffentlichte Adam Riess den ersten Entwurf eines bahnbrechenden Artikels, der zu belegen schien, dass sich die Ausdehnung des Universums entgegen den vorherrschenden Theorien beschleunigt. Wenn sich das Universum immer schneller ausdehnte, musste es eine zusätzliche Form von Energie geben, die es immer weiter ausdehnte. „Ich dachte: ‚Wow, das ist ja cool'“, erinnert sich Heymans, die mit der selbstbewussten Ehrfurcht eines Geeks über die Rätsel des Kosmos spricht. (Auch heute noch reagiert sie auf das Universum so, wie andere Menschen auf die Begegnung mit ihrem Lieblingsfilmstar reagieren würden).
Diese Kraft wurde unter dem Namen Dunkle Energie bekannt. Als Heymans 1998 davon hörte, dachte sie: „Ich will das in meiner Doktorarbeit lösen.“ Der Versuch, die Natur der dunklen Energie innerhalb von drei Jahren zu ergründen, erwies sich als lächerliches Unterfangen – „so lächerlich“, wie Heymans sagt. Aber es war auch ein frühes Zeichen für ihren Eifer, sich an schwierige Probleme heranzuwagen, deren Lösung außergewöhnliche Kreativität erfordert. „Das ist etwas, was die Leute an der Wissenschaft nicht verstehen“, sagte sie. „Sie denken, um kreativ zu sein, muss man Künstler oder Schriftsteller sein. Aber die Wissenschaft ist wahrscheinlich der kreativste Beruf, den es gibt, weil man Fragen stellt, auf die niemand eine Antwort weiß.
„In den letzten 20 Jahren habe ich das Licht in abgelegenen Observatorien auf Berggipfeln überall auf der Welt eingefangen“, sagte Heymans 2018 vor Publikum. Im australischen Outback und im chilenischen Hochland, an den schneebedeckten Hängen eines 4.000 Meter hohen Vulkans auf Hawaii und mit dem Hubble-Weltraumteleskop hat sie das Licht von mehr als 100 Millionen Galaxien eingefangen. Ihre Arbeit wurde durch die zunehmende Leistungsfähigkeit von Teleskopen, Kameras und Computern erleichtert, die es Kosmologen ermöglicht haben, in Ecken des Universums vorzudringen, die sie zuvor nicht sehen konnten.
Heymans‘ Spezialgebiet ist das so genannte „weak gravitational lensing“, eine leistungsstarke, aber teuflisch komplexe Methode zur Kartierung der Verteilung der dunklen Materie im Universum. Bei dieser Methode wird untersucht, wie sich der Weg des Lichts krümmt, wenn es von Galaxien, die bis zu 10 Mrd. Lichtjahre entfernt sind, zur Erde gelangt. Diese Krümmung wird durch die Schwerkraft verursacht, die den Raum krümmt, durch den sich das Licht bewegt. Das Ausmaß der Schwerkraft in einer bestimmten Region des Raums und damit das Ausmaß der Krümmung hängt davon ab, wie viel Masse sich in dieser Region befindet. (Wenn Sie sich den Weltraum schon einmal als ein Blatt vorgestellt haben, das sich unter dem Gewicht einer Bowlingkugel durchbiegt, wissen Sie ungefähr, wovon ich spreche). Da die dunkle Materie den größten Teil der Masse und der Schwerkraft im Universum ausmacht, hat das Licht auf seiner Reise umso mehr dunkle Materie passiert, je mehr es sich gekrümmt hat. Wenn man den Durchgang des Lichts durch große Teile des Himmels aufzeichnet, können Wissenschaftler daher feststellen, wie viel dunkle Materie es im Universum gibt und wo sie sich befindet. Dies wiederum kann uns wichtige Informationen darüber liefern, wie auch die dunkle Energie den Kosmos geformt hat.
Das Kanada-Frankreich-Hawaii-Observatorium auf dem Mauna Kea in Hawaii.
Das Kanada-Frankreich-Hawaii-Observatorium auf dem Mauna Kea in Hawaii. Foto: Tetra Images/Alamy
Als Heymans im Jahr 2000 ihre Doktorarbeit in Oxford begann, wusste noch niemand, wie man schwache Linsen richtig einsetzt. 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 ihrer Doktorarbeit in einem Observatorium auf dem Rand eines Vulkans auf den Kanarischen Inseln, stellte aber fest, dass die dortige Kamera nicht leistungsfähig genug war, um wirkliche Forschung mit schwachen Linsen zu betreiben. Stattdessen „lernte sie Spanisch, trank eine Menge Whiskey zum Frühstück und lernte, wie man Eis mit flüssigem Stickstoff herstellt“, der zur Kühlung der Instrumente zur Verfügung stand.
Schwache Linsen erfordern die Sammlung und Analyse einer riesigen Menge von Daten, was eine anspruchsvolle Rechenaufgabe ist. Während ihrer Doktorarbeit schrieb Heymans an einer Computersoftware mit, mit der die Form entfernter Galaxien gemessen werden konnte, um zu verstehen, wie die Schwerkraft, die Atmosphäre und die Teleskope den Weg ihres Lichts verzerrten. „Es war eine brillante Idee“, erinnert sie sich mit selbstironischem Stolz, „aber wir hatten auf keinen Fall die Computerleistung, um sie zu nutzen. Fünf Jahre später waren die Rechner jedoch leistungsfähig genug, um ihren Code nutzbar zu machen. Kosmologen nutzen ihn noch heute.
Nach ihrem Doktortitel erhielt 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 dann aber zum Englischlehrer umschulen lassen, weil sich dieser Job gut zum Reisen eignete. Dann, mit Ende 20, beschloss er, dass er Kinder haben wollte. „Ich sagte: ‚Du kannst nicht gleichzeitig Kinder haben und ein hochbegabter 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 es ab, für diesen Artikel interviewt zu werden; Heymans sagte mir, er wolle in ihrem Berufsleben „unsichtbar bleiben“.)
Als 2009 ihr zweites Kind zur Welt kam, hatte Heymans ihre Gravitationslinsen-Techniken erheblich verfeinert und leitete ein Team von Forschern, das das dunkle Universum erforschte. Eine weitere Revolution in der Kosmologie war im Gange. Das Klischee des einsamen Genies gehörte langsam der Vergangenheit an. Die neue Wissenschaft war ein immer größeres gesellschaftliches Unterfangen. In ihren öffentlichen Vorträgen zeigt die in Sri Lanka geborene britische Kosmologin Hiranya Peiris oft eine Reihe von Fotos der Teams, die zur Entdeckung und Kartierung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds beigetragen haben. Das erste zeigt die vier weißen Männer, zwei in Princeton und zwei in den Bell Labs, die den Mikrowellenhintergrund in den 1960er Jahren entdeckten. Das zweite zeigt einige der etwa 18 Personen, die ihn in den 1990er Jahren zusammen mit George Smoot kartiert haben, fast ausschließlich weiße Männer. Das nächste Foto zeigt Peiris und einige der anderen Mitglieder eines 30-köpfigen Teams, das in den frühen 2000er Jahren noch detailliertere Messungen des Mikrowellenhintergrunds vornahm; nur eine Handvoll davon waren Farbige oder Frauen. Im Jahr 2010 umfasste das Team des Planck-Weltraumobservatoriums der Europäischen Weltraumorganisation, das die bisher genauesten Messungen des Mikrowellenhintergrunds vorgenommen hat, mehr als 300 Mitglieder aus der ganzen Welt, darunter viele Frauen.
„Das ist heute das A und O in der Wissenschaft, nicht wahr?“ sagte Heymans. „Wenn man in die Geschichte zurückblickt, ging es nur um Wettbewerb. 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 das Universum expandiert. Ich denke wirklich, dass die Wissenschaft heute nicht mehr so sein sollte. Wir haben all die kosmischen Entwicklungen gesehen, die sich ergeben haben, weil Menschen Daten austauschen und zusammenarbeiten. Das ist also die Richtung, in die sich die Kosmologie entwickelt – 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, war sie besorgt. Die Annahme eines Universums, das sich von dem unterscheidet, das durch die Ergebnisse der Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die von einigen der herausragendsten Wissenschaftler auf diesem Gebiet geleitet wurde, hervorgerufen 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 meiner Natur. Und Planck war die ultimative kosmologische Studie, der heilige Gral. Wenn wir also nicht damit einverstanden waren, war das ein Problem“.
Wissenschaftlich ausgedrückt, war es eine „Spannung“. Viele wissenschaftliche Messungen weisen einen gewissen Grad an Ungenauigkeit auf, und zu einer guten Wissenschaft gehört es, sowohl den Bereich, in den eine Antwort wahrscheinlich fällt, als auch die Wahrscheinlichkeit, dass die Wahrheit woanders liegt, genau abzuschätzen. Ein gängiges Beispiel ist die Aussage von Meteorologen, dass es am nächsten Tag mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % ein bis zwei Zentimeter regnen wird – eine Schätzung, die die Möglichkeit eines Wolkenbruchs offen lässt, oder dass Sie Ihren Regenschirm vielleicht gar nicht brauchen.
Wenn aber ein Meteorologe eine 95 %ige Chance auf fünf Zentimeter Regen voraussagt und ein anderer eine 95 %ige Chance auf reinen Sonnenschein, dann haben Sie eine Spannung oder, schlimmer noch, eine Krise. Man kann ziemlich sicher sein, dass entweder einer der Wissenschaftler einen Fehler gemacht hat oder dass mit dem Modell, das sie für ihre Vorhersagen verwenden, etwas nicht stimmt. Im Jahr 2013 öffnete sich eine unwahrscheinlich große Lücke zwischen dem Bereich, den das Standardmodell für die Klumpenbildung im Universum vorhersagte, und dem Bereich, den Heymans und ihr Team fanden.
Die Planck-Karte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds aus dem Jahr 2013.
Die Planck-Karte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds aus dem Jahr 2013. Bild: Science History Images/Alamy
Heymans wollte unbedingt, dass ihre Messungen mit Planck und dem Standardmodell übereinstimmen. Unter anderem befürchtete sie, dass sie die Finanzierung für ihre zukünftigen Projekte verlieren könnte, wenn ihre Ergebnisse falsch wären oder weiterhin außerhalb des Mainstreams liegen würden. Doch als 2017 ihre nächsten wichtigen Ergebnisse veröffentlicht wurden, widersprachen sie den Vorhersagen des Standardmodells sogar noch mehr. Die Anomalie, die sie entdeckte, erschien nun weniger wie ein Fehler, sondern eher wie eine potenzielle Entdeckung. „Ich fühlte mich weniger schlecht – als ob ich nicht mehr jedermanns Zeit vergeuden würde“, sagte Heymans.
Die Reaktion ihrer Kollegen war nicht durchweg positiv. Vor allem der Cambridge-Professor George Efstathiou, einer der „Väter“ der Planck-Mission, war überzeugt, dass Heymans einen Fehler gemacht hatte. „Wir mögen uns jetzt aufrichtig“, sagte Heymans. „Aber als ich ein junger Akademiker war, war er der Anführer der Gruppe, die sagte: ‚Du machst etwas falsch, du weißt nicht, was du tust.'“ In den Fragen und Antworten nach ihren öffentlichen Vorträgen forderte Efstathiou sie gerne auf, dem Publikum zu sagen, was sie falsch gemacht hatte. „Ich hatte nicht den Mut zu sagen: ‚George, kannst du dem Publikum sagen, was dein Team falsch gemacht hat?'“, sagte sie 2017 dem Magazin New Scientist.
Heymans‘ Ergebnisse waren nicht die einzigen, die nun im Widerspruch zum Standardmodell stehen. Als die ersten Planck-Ergebnisse herauskamen, erkannte Adam Riess bald, dass das junge Universum schneller wuchs, als Planck und das Standardmodell vorhersagten. „Zum Glück hat er einen Nobelpreis, so dass ihm niemand sagen kann: ‚Du weißt nicht, was du tust'“, scherzte Heymans.
„Wir durchliefen die Phasen der Trauer – Verleugnung, Wut und so weiter“, erzählte mir Riess kürzlich, als er über die Zeit nachdachte, in der er und sein Team feststellten, dass sie nicht mehr mit dem Standardmodell übereinstimmten. Es wurden Vorwürfe laut, wer sich in seinen Analysen geirrt habe und wie. „Aber seither wurde viel Arbeit geleistet, und wir haben jetzt ein viel aussagekräftigeres Ergebnis“, so Riess weiter. Seine Teams haben mehr als 1.000 Umläufe des Hubble-Weltraumteleskops genutzt, um ihre Beobachtungen zu machen – eine gewaltige Investition an wissenschaftlichen Ressourcen. Ähnlich verhält es sich mit den Ergebnissen von Heymans. „Unsere Messungen der schwachen Linsen haben sich stark verbessert“, sagte Heymans. „Es gibt jetzt drei verschiedene Teams, die alle das Gleiche finden wie wir vor 10 Jahren“.
Nicht alle sind sich einig, dass es auf diesem Gebiet eine Krise gibt, oder, wenn es eine Krise gibt, wo genau sie liegt. Efstathiou nimmt die Erkenntnisse von Heymans über die Struktur des Universums ernst. Er ist jedoch nicht davon überzeugt, dass sie zu einer Überarbeitung der Physik, wie wir sie kennen, führen werden. Stattdessen hat er zusammen mit Alexandra Amon, einer ehemaligen Doktorandin von Heymans, vorgeschlagen, dass Heymans‘ Ergebnisse auf etwas Alltäglicheres zurückzuführen sein könnten, wie zum Beispiel auf die chaotische Art und Weise, wie sich Galaxien entwickeln. Er argumentierte kürzlich, dass es immer noch völlig plausibel ist, dass Physiker in 50 Jahren sagen werden, dass das kosmologische Standardmodell das Universum „von Grund auf“ beschreibt. (Es gibt auch einige Ausreißer in der aktuellen kosmologischen Landschaft, wie z. B. Pavel Kroupa an der Universität Bonn, die das Standardmodell und das dunkle Universum völlig ablehnen.)
Riess hofft, dass sich die Gemeinschaft als Ganzes auf das letzte Stadium der Trauer zubewegt: die Akzeptanz, dass mit dem Standardmodell wirklich etwas nicht stimmen könnte. Ja, es ist überraschend, Risse in einem so soliden theoretischen Gebäude zu finden. Aber, so fragte er, „was bedeutet überraschend in einem Universum, das wir nicht verstehen?“ Als Heymans über den Stand der Forschung nachdachte, nahm sie einen Ton theatralischer Verzweiflung, gemischt mit Verwunderung, an: „Wir wissen so viel und doch … so wenig!“
Nachdem Heymans im Frühjahr 2022 erkrankt war, entwarf sie eine automatische Antwortnachricht, die sie noch heute verwendet. „Sehr geehrter Absender“, heißt es darin, „Bitte entschuldigen Sie, dass ich Ihre E-Mail im Moment wahrscheinlich nicht beantworten kann. Leider gehöre auch ich zu den mehreren Millionen Menschen im Vereinigten Königreich, die derzeit unter einem langen Covid leiden.“
Heymans stellte sich ihrem Dilemma wie ein Wissenschaftler. Jemand, der Milliarden von Galaxien und unzählige Variablen studiert, muss zwangsläufig in Daten schwelgen. Kurz nachdem sie erkrankt war, eröffnete sie eine Tabellenkalkulation, in der sie begann, in zweistündigen Blöcken alle ihre Symptome und Aktivitäten zu erfassen. Sie versuchte zu verstehen, wie ihre Symptome mit ihrem Aktivitätsniveau zusammenhingen, um eine wissenschaftlichere Grundlage für das Management ihres Wohlbefindens zu finden. Sie stellte fest, dass ihre Brustschmerzen mit Sprechen und Lachen korrelierten, also versuchte sie, beides zu reduzieren, was in ihrem Fall so etwas wie der Versuch war, die Sonne auszulöschen. Stress verschlimmerte ihre Symptome, was sie noch mehr stresste, so dass sie „zur Achtsamkeit konvertiert“ war.
Ihre Genesung verlief langsam und zögerlich, aber sechs Monate nach der Entwicklung des langen Covid spürte Heymans erste Anzeichen einer Besserung. Anfang September erkrankte sie jedoch zum zweiten Mal an Covid. „Das ist ein ziemlicher Rückschlag“, schrieb sie mir kurz darauf. „Obwohl ich nirgendwo hingehe und niemanden treffe, habe ich drei Kinder, die zur Schule gehen und somit eine biologische Gefahr darstellen.“ Die gute Nachricht sei, dass ihre Kinder keine Langzeitsymptome entwickelt hätten, fuhr sie fort. „Die schlechte Nachricht ist, dass ich jetzt nicht mehr ans Haus, sondern ans Bett gefesselt bin – wer hätte gedacht, dass es noch schlimmer werden könnte! Erstaunlicherweise und glücklicherweise bin ich aber immer noch ziemlich gesund und positiv.
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 gepresst wird (HBOT wird seit Jahren von Menschen eingesetzt, die an myalgischer Enzephalomyelitis leiden, auch bekannt als chronisches Müdigkeitssyndrom, um die Symptome in Schach zu halten). „Stellen Sie sich die Szene aus Star Wars vor, in der Darth Vader in einem Drucktank sitzt“, erklärte sie mir. „Das ist mehr oder weniger das, was ich mir antue – komplett mit schwarzer Gesichtsmaske und Schläuchen.“ Da der Druck dem von 10 Metern unter Wasser entspricht, nennen die Patienten die Sitzungen „Tauchgänge“.
Eine Tabelle, die Catherine Heymans erstellt hat, um ihre langen Covid-Symptome zu verfolgen.
Eine Tabelle, die Heymans erstellt hat, um ihre langen Covid-Symptome zu verfolgen. Foto: Catherine Heymans
Heymans begann, über ihre Wochen in der Kammer Buch zu führen, um sie mit anderen Betroffenen zu teilen, und nannte dies die HBOT-Tagebücher. „Ich bin wie versteinert“, schrieb sie vor einem Probetauchgang am 26. September 2022. „Dies ist das erste Mal, dass ich seit über einem Monat das Haus verlasse, und die Außenwelt ist überwältigend.“ Da es in der Kammer keine Betten gab, war sie gezwungen, zu sitzen. „Mein Kopf beginnt zu pochen, wahrscheinlich weil ich zum ersten Mal seit langer Zeit wieder aufrecht sitze. Nach der Sitzung war das Treppensteigen zurück zu ihrer Wohnung im obersten Stockwerk eines Edinburgher Mietshauses „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 Wochen der Behandlung – vier Tauchgänge pro Woche – zermürbend sein würden. „Wenn man bedenkt, wo ich jetzt stehe, ist das eine Untertreibung“, sagte sie mir nach dem Probetauchen.
In der darauffolgenden Woche begann sie mit dem vollen Protokoll und fühlte sich „müde, ängstlich und schrecklich“. Im Wartezimmer begegnete sie einer „spirituellen Heilerin“, die zu ihr kam und schweigend ihre Hände hielt. „Obwohl wir uns völlig fremd sind“ – der eine ein Astronom, der andere ein Astrologe – „ist es so beruhigend, nicht allein zu sein“. Später in dieser Woche begannen die seltsamen Träume: „Ich verbrachte Stunden damit, große französische Baguettes an riesige Enten zu verfüttern … Wird mich die riesige Ente fressen?“
Long-Covid ist ein höchst unberechenbarer und frustrierender Zustand, der keine eindeutige Entwicklung oder Erzählung bietet. Einer Reihe von guten Tagen kann leicht ein Zusammenbruch vorausgehen. Am Ende der zweiten Woche, Mitte Oktober, konnte Heymans ihrem 10-jährigen Sohn zum Geburtstag einen Kuchen backen, aber sie brauchte den ganzen Tag dafür. An einigen Abenden konnte sie mit der Familie zu Abend essen, was sie seit mehr als sechs Wochen nicht mehr hatte tun können. „Es ist so schön, ihre Gespräche zu hören und mit ihnen zu scherzen“, berichtete sie. Doch drei Tage später lautete ihr Tagebucheintrag: „Mürrischer Absturz“. „Vielleicht habe ich zu viel getan oder es ist nur die übliche Zyklusdelle“ – sie hatte zuvor mindestens zwei größere Rückschläge am 21. Tag ihres Zyklus, wenn der Progesteronspiegel seinen Höhepunkt erreicht – „aber ich fühle mich heute sterbenselend.“
Eine Woche später gab es jedoch eine hoffnungsvolle Nachricht. Heymans schrieb: „Ich kann sehen, wie mein altes Ich auftaucht.“ Sie hatte die gesamte 15. Sitzung damit verbracht, Computercode zu schreiben, und konnte danach mit einer Freundin kurz in der Nordsee baden gehen. Eine Woche später, Anfang November, strahlte sie: „Was für eine Veränderung!“ An ihren Lungen- und Halsschmerzen, ihrem Herzklopfen und ihrem chronischen Schnupfen hatte sich nichts geändert, und ihr Tinnitus wurde immer schlimmer. Doch nach fünf Wochen Behandlung und 20 Tauchgängen waren ihre Müdigkeit, ihre Ohrenschmerzen und die verschwommene Sicht auf dem rechten Auge besser geworden, wenn auch nicht völlig verschwunden. Ihr Gehirnnebel und ihre Schlaflosigkeit hatten sich aufgelöst, und ihre Angstzustände waren verschwunden. Sie hatte sich aus Luftfiltern, einem Ventilator und Klebeband einen eigenen Luftreiniger gebaut, in der Hoffnung, die Gefahr einer erneuten Infektion zu verringern.
Der Aufschub ihrer Symptome erwies sich als schmerzhaft kurz. Anfang 2023 schrieb sie mir: „Ach, zwei Balken beim Lateral-Flow-Test an Heiligabend – was für ein nettes Familiengeschenk von Covid von der Schule meiner Tochter. Ich bin wieder ein Spatzenhirn.“ Sie war frustriert darüber, dass trotz der weiten Verbreitung von Covid – eine Studie vom Juni letzten Jahres ergab, dass im Vereinigten Königreich 2 Millionen Menschen mit Covid leben – die Leute immer noch nicht verpflichtet waren, sich zu maskieren, aber sie war der Meinung, dass sie ihre Kinder nicht zwingen konnte, die einzigen zu sein, die sich maskieren mussten. Ungefähr zu dieser Zeit twitterte sie eine der tiefsten, wütendsten Äußerungen, die ich je von ihr gehört habe: „Ich lege mein Veto ein, weil ich das Gefühl habe, dass ich in unserer „Lass es raus“-Gesellschaft niemals gesund werden darf.
„Es ist ein sehr schöner Tag, und die Sonne scheint auf mein Bett, das ist wunderbar“, sagte mir Heymans kürzlich an einem Nachmittag. Sie war „immer noch sehr aufgewühlt auf der langen Covid-Achterbahn“ und hatte mir die Kopie einer Karikatur geschickt, die in der langen Covid-Gemeinschaft kursierte. Es handelte sich um eine Zeichnung eines Brettspiels namens Long Covid: All Snakes, No Ladders. Eine der Schlangen, die die Spieler um 21 Felder zurückwarf, trug die Aufschrift „Zu viel geweint“. Aber nicht alle Tage waren schlecht. Eines Abends im letzten Monat, nach mehr als einem Jahr Krankheit, hatte ihr Mann sie Huckepack zum Strand von Portobello mitgenommen, wo Merkur und Venus gemeinsam am Himmel zu sehen waren. Merkur wird normalerweise von der Sonne verdeckt, und es war das erste Mal, dass Heymans ihn gesehen hatte.
Bevor sie lange Covid entwickelte, schienen Heymans tausend Gelegenheiten vor die Füße zu fallen. Die Königin hatte sie 2021 zur königlichen Astronomin für Schottland ernannt, und seitdem war sie als potenzielle Leiterin einiger großer wissenschaftlicher Institute angesprochen worden. Nun befürchtete sie, dass zu viel von der neuesten Forschung an ihr vorbeigehen würde. „Vielleicht besteht meine neue Rolle, wenn das alles endlich vorbei ist, darin, die Dinge für die Menschen, die nach mir kommen, besser zu machen“, fragte sie sich laut. „Ihnen zu zeigen, dass sie diese Arbeit machen und normal sein können.“ Als sie in ihrem Bett lag, begann sie zu lachen und fügte hinzu: „Sie werden jetzt sagen, dass ich nicht normal bin.“
Auch sie hatte die Phasen der Trauer durchlaufen, nicht um irgendein wissenschaftliches Ideal, sondern um ihr vergangenes Ich. Sie hatte sich auf den Weg gemacht, zu akzeptieren, dass sich ihr Leben verändert hatte, möglicherweise für immer. „Du kannst nicht dagegen ankämpfen, und du hast nur eine bestimmte Menge an Energie pro Tag, also kannst du sie nicht damit verschwenden, dich richtig aufzuregen“, sagte sie mir im April. „Man muss seine Energie für Dinge verwenden, die einen erfüllen. Für mich ist das die Astronomie.“
Die Milchstraße ist über dem Yesnaby Sea Stack auf den Orkney-Inseln zu sehen. Foto: Mark Ferguson/Alamy
An Arbeit für Heymans mangelt es nicht. Die wissenschaftlichen Fragen, die sie und ihre Mitarbeiter aufgeworfen haben, bleiben unbeantwortet. In der Astronomie „ist die Antwort auf eine große Kontroverse, die man nicht lösen kann, immer der Bau eines größeren Teleskops“, scherzt sie gerne. Derzeit wartet sie darauf, dass die Kuppeln des Vera-Rubin-Observatoriums in der chilenischen Atacama-Wüste geöffnet werden, damit sie und ihre Kollegen damit beginnen können, die detailliertesten Bilder des Weltraums zu machen, die es je gab. Viele Kosmologen hoffen, dass das Observatorium, das mit dem größten Objektiv und der größten Kamera der Welt ausgestattet ist, 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 zu beseitigen. Es könnte den Wissenschaftlern auch helfen, die Natur der dunklen Energie und der dunklen Materie zu entdecken.
Und es können immer noch größere Teleskope gebaut werden. Eines der vielen Ziele von Heymans ist es, eines auf der dunklen Seite des Mondes zu bauen. Es wäre einen Kilometer breit – 30 Mal größer als sein größter Konkurrent auf der Erde – und hätte einen perfekt glatten Spiegel aus flüssigem Quecksilber. Er wäre immun gegen künstliches Licht, die dunstige Atmosphäre und alle anderen Verunreinigungen hier auf der Erde. Sie träumte einmal davon, selbst zum Mond zu reisen, um durch ihn hindurchzuschauen und das Universum neu zu sehen.
Im Moment ist Heymans noch weitgehend an ihr Bett oder den Stuhl in der HBOT-Kammer gefesselt. Sie weiß, dass die Möglichkeit besteht, dass ihre Krankheit ebenso wie das Universum, das sie erforscht, grundsätzlich rätselhaft bleibt. Aber selbst wenn sie nie wieder ganz gesund wird, wird sie jeden Morgen aufwachen und ihre Arbeit wieder aufnehmen und hoffnungsvoll in die Dunkelheit blicken.
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The dark universe: can a scientist battling long Covid unlock the mysteries of the cosmos?
Since being laid low with the virus more than a year ago, Catherine Heymans can only operate in half-hour bursts. But her work could still change the way we understand the universe
Tue 2 May 2023 06.00 BST
Last modified on Wed 3 May 2023 13.14 BST
Last September, Catherine Heymans, one of the world’s leading cosmologists, was supposed to board a ferry for the northernmost island in the Orkney archipelago. The island, North Ronaldsay, is among the darkest inhabited places on earth. On a clear winter’s night, it is easy to be awed by the thousands upon thousands of stars visible to the naked eye, which spill their unpolluted light upon the Earth. Heymans, who is the first woman appointed astronomer royal for Scotland, was planning to explain to the island’s 60 or so residents that those stars, and the rest of the perceptible universe, represent a mere fraction of the stuff that makes up our cosmos. What she studies is everything we cannot see: the darkness.
Over the past two decades, Heymans, who is 45, has advanced our understanding of a vast, invisible cosmos that scientists are only beginning to comprehend. That “dark universe” is thought to constitute more than 95% of everything that exists. It is made up of entities more mysterious than the ordinary matter and energy – the light, atoms, molecules, lifeforms, stars, galaxies – that have been the subject of scientific inquiry throughout history. In the past 10 years, Heymans has learned that the dark universe shapes the visible cosmos in unexpected ways, and may not follow all the standard rules of physics. Her discoveries are unsettling a broad consensus on how our world works on its grandest scales. “I believe that, to truly understand the dark universe, we will need to invoke some new physics that will for ever change our cosmic view,” she has written.
Heymans is not alone in that belief. During the 20th century, scientists developed an extraordinarily precise account of almost 14bn years of the universe’s history. But an increasing number of scientists suspect that model may be profoundly limited, or even broken. Some leading astrophysicists have recently declared that we have entered an era of cosmological crisis, one that might lead to anything from the discovery of new fundamental particles to a new theory of gravity. “The proliferation of ideas is like nothing I’ve ever seen,” the Nobel prize winner Adam Riess, another key figure in cosmology’s current upheaval, recently told me.
Six months before she was scheduled to go to North Ronaldsay, Heymans was like many other world-class scientists: she worked a minimum of 12 hours a day, with an overwhelming schedule of international travel. In July alone, she was due to attend three international conferences, to appear on stage at an ideas festival with Sir Martin Rees, for a session entitled Astronomer Royal meets Astronomer Royal, and to perform Do You Matter?, one of the standup comedy shows that she had been doing with her fellow astrophysicist Joe Zuntz since 2017. (Scrutinising a pixelated image of distant galaxies is “like looking at your favourite Japanese pornography”, runs one of her edgier jokes.) She was also due to receive the Royal Astronomical Society’s Herschel medal for “investigations of outstanding merit in observational astrophysics”. In between all that, she was supposed to shuttle back and forth between the University of Edinburgh, where she is professor of observational cosmology, and Ruhr University in Bochum, Germany, where she uses a prestigious €1.5m-million-euro Max Planck-Humboldt award, which she won in 2018, to run a centre dedicated to exploring the dark universe.
Catherine Heymans at the Royal Observatory in Edinburgh in June 2021. Photograph: Katherine Anne Rose/The Observer
But then, in March 2022, Heymans and her family contracted Covid. While her partner and three children recovered relatively quickly, she continued to feel awful several weeks later. “Strange illness, but I’m trying to be patient,” she emailed me. We still planned to meet in Europe that summer, and in Scotland in the autumn. Two months later, though, she got in touch to say her health was getting worse – “a slow and steady decline”, wrote Heymans, who usually radiates a sunny optimism. “Unfortunately you find me battling long Covid,” she wrote. In July, I got a message from her saying, “Sadly on the long Covid front, it is fair to say that it has cancelled my life until further notice.” She had spent the previous few weeks housebound and barely able to speak.
But she was still working. In a dark room, lit only by the glare of her laptop screen, Heymans would reply to emails and review the computer code for an international collaboration investigating the dark universe. After half an hour, an alarm would go off, and she would type a note to remind her future self what she was working on. Then she would shut her laptop and lie in silence or go to sleep. (Attempting to do too much physically or mentally often causes long Covid sufferers to crash for extended periods.) As soon as she felt able, she would get up, open her laptop, read the note and continue working. She repeated that cycle multiple times a day. Then she ate a meagre supper with her family while lying on the sofa – Covid had taken away her appetite – and slept fitfully for the rest of the night, frequently waking in pain or panic.
The next morning, Heymans would begin work again. From the narrowing confines of her life, she was still trying to help humanity peer deeper into the universe. “I’ve waited 20 years for science to advance this far,” she told me recently. “I’m not about to give up now.”
Perhaps the most profound insight in all of cosmology is that our universe has a history. It has not existed for ever and unchanging; it was born and it evolves. Cosmology’s ambition is to tell the story of that evolution and to explain the physical processes that govern it. Scientists do that in the language of mathematics, with sets of equations that describe how the universe changes. Those equations, and the stories we tell to make intuitive sense of them, are called “models” of the universe. The better the model – the more accurately it describes the world as we observe it – the deeper we presume our understanding of the universe to be. What makes Heymans’s work so striking is that it conflicts with the most accurate model of the universe we have ever had.
The cornerstone of that model is the big bang theory, which holds that everything in the universe began in an unfathomably hot, compact state – possibly in an infinitely dense point known as a singularity – and then expanded. In addition to the big bang, the model includes the two enigmatic constituents of the dark universe that Heymans studies. One is “dark matter”, which doesn’t emit, reflect, or absorb light, but exerts the attractive force of gravity. The existence of dark matter helps to explain why galaxies aren’t torn apart as they whirl through the void. “If all that was there was the stuff that we see, the stars would simply fly out into space,” Heymans explains in one of her public performances. The other constituent is “dark energy”, which causes the universe to expand at faster and faster speeds. Dark energy and dark matter “play out an epic battle of cosmic proportions”, Heymans likes to say – the former ripping the cosmos apart, and the latter trying to bind it closer together. Dark matter and dark energy are now thought to constitute more than 95% of the universe, ordinary matter less than 5%.
Together, the big bang, dark matter and dark energy – along with equations derived from Einstein’s theory of general relativity – make up what is now known as the “standard cosmological model” of the universe. We can test this model by gazing into the past to survey the universe in its infancy. Because light takes time to travel to us, when we look out into space, we are seeing the universe as it appears not at any one moment, but rather at many different ages. It’s as if we are looking at a composite image of someone’s face made up of billions of fragmentary photographs – a freckle from their toddler years, a wrinkle from their 60s – taken over the course of their entire life. If you have the right cosmological model, then you should be able to take the parts of the universe you see at one point in time, run them through the model’s equations, and have it spit out the universe you see at another point in time – thus demonstrating that your understanding of the universe is correct.
A image of the Abell 901/902 supercluster of galaxies, with the magenta patches representing dark matter. Photograph: Alamy
The furthest back in time we can see is nearly 14bn years, to a moment just 380,000 years after the big bang, when light shot through the universe in every direction. That early burst of light still hums throughout space in the form of microwaves that fall well outside the visible spectrum. Scientists call it the “cosmic microwave background”. Mapping subtle differences in the temperature of those microwaves gives us an image of where the matter and energy were distributed across the entire early universe. Admiring the first detailed maps of the cosmic microwave background in 1992, the astrophysicist George Smoot, who later won the Nobel prize, famously remarked: “It’s like seeing God.”
By the mid-2010s, maps of the background had become so refined that physicists declared that human beings had finally entered the era of “precision cosmology”. “More has been discovered about the large-scale structure and history of the visible cosmos in the last 20 years than in the whole of prior human history,” said the philosopher of science Tim Maudlin in 2014. Meanwhile, the standard cosmological model seemed to be doing an impressive job of connecting those ever-more detailed maps of the infant universe to the universe we saw around us in the recent past. Some physicists thought that all we had to do was figure out exactly what dark matter and dark energy consisted of, and our knowledge of the workings of the universe at the largest levels would be complete.
Heymans was among the first people to detect a crack in the standard model. When the first ultra-precise maps of the cosmic microwave background were released by the European Space Agency’s Planck observatory, in March 2013, they fit the predictions of the standard model with exquisite precision. But Heymans quickly realised those maps no longer agreed with one of the measurements she was making of the more recent universe. The recent universe, she found, had less large-scale structure – less clumping and clustering of galaxies – than our maps of the early universe implied. The standard model’s universe was like rice pudding, Heymans likes to say, but hers was more like custard. Either Heymans had committed a major error, or there was something awry with the standard model.
At first, few people took Heymans’s findings seriously. “Nobody believed me because I wasn’t a professor then, and I certainly wasn’t astronomer royal,” Heymans told me. “I was just a lowly lecturer with a newborn baby, and people were just like, ‘No, you’re doing something wrong.’”
Heymans is at her best in the teeth of a challenge. “She is very creative, and she understands what the important problems are,” said the astrophysicist Alan Heavens, who taught Heymans as a student and has written many papers with her over the years. She is also prodigiously hardworking and inexhaustibly enthusiastic. She used to wake up at 4.30am, prepare supper for her family, and then take the earliest bus from her home in Portobello, a suburb of Edinburgh, to the base of Blackford Hill. She says she would literally skip up the hill to the Royal Edinburgh Observatory, arriving at work before anyone else. “Sleep is overrated,” she told me recently, during one of her half-hour working blocks. “Well, now I have a lot of it – but I didn’t use to sleep very much.”
Before developing long Covid, Heymans was, by her own description, “efficient, effervescent, and unstoppable” (also, “stupidly tall” – she’s 6ft 1in). Now, she calls herself “resilient”. Even in the grip of her illness, she completes almost every sentence with a laugh. She hasn’t owned a mobile phone since university, in part because she has “quite an addictive personality” and fears it would distract her from work and family. She’s almost never worn makeup, because “there’s simply not enough time to put it on”, she said. “What’s kind of annoying about Catherine is that she’s more productive when she’s asleep for two-thirds of the day than I am at my best,” said Zuntz, her comedy partner and colleague at the University of Edinburgh.
Heymans was born in 1978, and family lore has it that at the age of six she decided to become either an astrophysicist or a brain surgeon, after asking her primary school teacher what the hardest job in the world was. Her parents were baffled by her, she said: “They were very proud, but they did keep trying to divert me into more suitable careers.” The family lived in Hitchin, Hertfordshire, in the home-counties commuter belt.
Like nerds the world over, Heymans had a small circle of smart but socially ostracised friends. “If you were academically bright, then you were considered a bit sad, really,” her friend since childhood Esther Gamble, told me. “But we didn’t mind – we had each other and our little group of geeks.” (Gamble is now a barrister.) At Hitchin girls’ school, which is now one of the few remaining single-sex state schools in the country, Heymans felt she had the opportunity to be a leader in her science and maths classes. “If you do a random poll of female physicists, you’ll find the majority of them went to single-sex schools,” she said. Her interest in astronomy was nurtured by a teacher who was fanatical about space and organised an international field trip to Nasa’s Kennedy Space Center in Florida. “We didn’t have families with enough money to send us, and we were very jealous of everyone who got to go,” Gamble recalled.
In a precursor to her ordeal with long Covid, Heymans contracted Epstein-Barr virus just before her GCSEs, and spent the next year in bed with glandular fever. “I’d kind of filed that little part of my life away in a part of my brain that I didn’t like to think about,” she told me. “But partly because my daughter’s now that age” – Heymans has two boys and a girl – “I’m sort of looking at her and thinking, ‘Oh, yeah, no, we never did the things that you’re doing right now, because I was asleep.’” When she wasn’t sleeping that year, she alternated between watching daytime television and teaching herself A-level physics in bed. “It’s pretty similar to how I’m working now – except no daytime TV, because that is soul-destroying,” she said.
Heymans at the official opening of the Aberdeen Science Centre in October 2021. Photograph: Aberdeen Science Centre
Although her health slowly improved, after a year spent mostly alone, Heymans felt depressed. But then she got a little “kick” that helped her to fully recover. “He’ll probably kill me for saying this, but I met my partner,” she said. The local schools had organised a trip to Oxford to check out the university, and she had summoned the strength to get on the bus. Rory MacLeod’s parents had put him on it, too. “We got chatting and then – yeah,” she continued. “We’ve been together since we were 17.” Heymans and MacLeod, who was born in Scotland, decided to go to the University of Edinburgh together.
When she arrived at Edinburgh in 1996, Heymans was one of only a handful of women in a cohort of nearly 100 physics students. All her professors were men. To help fund her studies, she worked in bars, as a nanny, and as a tour guide at the Royal Observatory, where she now has her office. At the observatory, the awestruck reaction of a boy upon seeing the rings of Saturn for the first time convinced her to dedicate her life to studying space.
In 1998, she became fascinated by cosmology, the study of the universe as a whole. That May, Adam Riess published the first draft of a seminal article that seemed to establish that, contrary to prevailing theories, the expansion of the universe was accelerating. If the universe was expanding faster and faster, there had to be some extra form of energy stretching it more and more. “I was like, ‘Whoa, so cool,’” Heymans recounted thinking, with the self-aware geeky awe she often uses when discussing the riddles of the cosmos. (Even today, she responds to the universe the way that other people might react to meeting their favourite movie star.)
That force came to be known as dark energy. When Heymans heard about it in 1998 she thought, “I want to solve this in my PhD.” Attempting to discover the nature of dark energy in the span of three years turned out to be a ludicrous ambition – “so laughable”, Heymans said. But it was also an early sign of her eagerness to take on ferocious problems that require exceptional creativity to solve. “That’s something that people don’t get about science,” she said. “They think that to be creative, you need to be an artist, or a writer. But science is probably the most creative job there is, because you ask questions that nobody knows the answer to.”
“For the past 20 years, I have been catching the light in remote mountain-top observatories all the way around the world,” Heymans told an audience in 2018. In the Australian outback and the Chilean highlands, on the snowy slopes of a 4,000-metre-high Hawaiian volcano, and with the Hubble space telescope, she has captured light from more than 100m galaxies. Her work has been facilitated by the growing power of telescopes, cameras and computers, which have allowed cosmologists to poke into corners of the universe they could never see before.
Heymans’s specialty is known as weak gravitational lensing, a powerful but diabolically complex method for mapping the distribution of dark matter in the universe. The method involves studying how the path of light bends as it travels to Earth from galaxies as far as 10bn light years away. That bending is caused by gravity, which curves the space through which light travels. The amount of gravity in a given region of space, and therefore the amount of curving, depends on how much mass there is in that region. (If you have ever been encouraged to picture space as a sheet drooping under the weight of a bowling ball, you know roughly what I’m talking about.) Since dark matter accounts for most of the mass and gravity in the universe, the more light has bent on its journey, the more dark matter it has passed. Charting the passage of light through large swathes of the sky can therefore allow scientists to map how much dark matter there is in the universe, and where. That, in turn, can tell us important things about how dark energy, too, has shaped the cosmos.
The Canada-France-Hawaii Observatory on Mauna Kea in Hawaii. Photograph: Tetra Images/Alamy
When Heymans started her DPhil at Oxford, in 2000, no one yet understood how to do weak lensing properly. But she was thrilled by the possibilities and challenges it presented. “I was like, ‘That’s new, that’s exciting, and that can tell me what dark energy is!’” She spent part of her DPhil at an observatory on the rim of a volcano in the Canary Islands, but found the camera there at the time wasn’t powerful enough to do any real weak lensing science. Instead, she “learned Spanish, drank a lot of whiskey for breakfast, learned how to make ice-cream with liquid nitrogen”, which was available on tap to keep the instruments cool.
Weak lensing requires the collection and analysis of a huge amount of data, which is a demanding computational task. During her DPhil, Heymans co-wrote a piece of computer software to measure the shapes of distant galaxies in order to understand how gravity, the atmosphere and telescopes distorted the path of their light. “It was a brilliant idea,” she recalled, with self-mocking pride, “but there was absolutely no way we had the computer power to use it.” Five years later, though, machines had become powerful enough to make her code viable. Cosmologists are still using it today.
After her DPhil, Heymans won fellowships in Germany, Canada and France, and continued to break new ground in mapping the universe using weak lensing. As she moved around the world, MacLeod was “kind enough to follow me”, she said. He had studied biology, but retrained as an English teacher, because it was an easy job to travel with. Then, in their late 20s, he decided he wanted to have kids. “I said, ‘You can’t have kids and be a high-flying astrophysicist at the same time,’” Heymans recalled. (Vera Rubin, who had four children, was a notable exception.) But MacLeod said he would do the bulk of the childcare. They had their first child in 2006. (MacLeod declined to be interviewed for this article; Heymans told me he wanted to “retain his invisibility” in her professional life.)
By the time their second child came along, in 2009, Heymans had significantly refined her gravitational lensing techniques, and was leading a team of researchers exploring the dark universe. Another revolution in cosmology was afoot. The cliche of the lone genius was receding into history. The new science was an increasingly vast social undertaking. In her public lectures, the Sri Lankan-born British cosmologist Hiranya Peiris often displays a series of photographs of the teams who helped discover and map the cosmic microwave background. The first shows the four white men, two at Princeton and two at Bell Labs, who detected the microwave background in the 1960s. The second shows a few of the 18 or so people who mapped it with George Smoot in the 1990s, almost all of whom were white men. The next photo is of Peiris and some of the other members of a 30-member team that made even more detailed measurements of the microwave background in the early 2000s; only a handful were people of colour or women. By 2010, the team for the European Space Agency’s Planck Space Observatory, which has made the most precise measurements of the microwave background to date, had more than 300 members from around the world, many of them women.
“That’s the name of the game in science now, isn’t it?” Heymans said. “Looking back in history, it was all about competition. You read stories about Newton and Hooke who had these fights over the nature of light, and Hubble and Sandage arguing about how fast the universe was expanding. I really think science shouldn’t be like that now. We’ve seen all of the Covid developments that have happened because people are sharing data and working together. So that’s where cosmology’s heading – big projects working together.”
When the era of precision cosmology dawned, and Heymans and her team’s results no longer fit with the standard cosmological model, she was worried. To posit a universe different from the one entailed by the results of the European Space Agency’s Planck mission, which was led by some of the most towering scientists in the field, was a heresy. “My first thought was: ‘Oh, God, I’ve done something wrong,’” Heymans recalled. “I always think I’ve done something wrong, that’s just inherent in me. And Planck was the ultimate cosmology survey, the holy grail. So for us not to agree with it was – it was a problem.”
In scientific terms, it was a “tension”. Many scientific measurements have a degree of imprecision, and good science involves rigorously estimating both the range within which an answer is likely to fall, and the probability that the truth lies elsewhere. A common example is when meteorologists say there’s a 95% chance of one to two inches of rain the next day – an estimate that leaves open the possibility of a downpour, or that you might not need your umbrella at all.
But if one meteorologist says there’s a 95% chance of eight inches of rain, and another says there’s a 95% chance of pure sunshine, then you have a tension or, worse, a crisis. You can be reasonably sure that either one of the scientists made a mistake, or there’s something very wrong with the model they’re using to make predictions. What happened in 2013 is that an improbably large gap opened up between the range the standard model predicted for the clumpiness of the universe and the range Heymans and her team found.
The Planck map of the cosmic microwave background released in 2013. Photograph: Science History Images/Alamy
Heymans desperately wanted her measurements to agree with Planck and the standard model. Among other things, she worried she might lose funding for her future projects if her findings were wrong or continued to fall outside the mainstream. But when her next major results came out, in 2017, they were in even greater disagreement with the predictions of the standard model. The anomaly she was detecting was coming to seem less like an error, and more like a potential discovery. “I felt less bad – like I wasn’t wasting everybody’s time any more,” Heymans said.
The response of her colleagues was not universally positive. In particular, the Cambridge professor George Efstathiou, one of the “fathers” of the Planck mission, was convinced that Heymans had blundered. “We do genuinely like each other now,” Heymans said. “But when I was a young academic, he kind of led the pack of, ‘You’re doing something wrong, you don’t know what you’re doing.’” Efstathiou, in the Q&A after her public presentations, liked to ask her to tell the audience what she had done wrong. “I didn’t have the balls to say, ‘George, can you tell the audience what your team’s done wrong?’” she told the magazine New Scientist in 2017.
Heymans’s findings were not the only ones now in tension with the standard model. When the first Planck results came out, Adam Riess soon realised that the recent universe was growing faster than Planck and the standard model predicted. “Luckily, he’s got a Nobel prize, so there’s no way people are gonna say to him, ‘You don’t know what you’re doing,’” Heymans joked.
“We went through the stages of grieving – denial, anger, and so on,” Riess told me recently, reflecting on the period in which he and his team realised they were no longer in agreement with the standard model. Accusations were thrown around about who had got their analyses wrong, and how. “But a lot of work has been done since then, and we have a much stronger result now,” Riess continued. His teams have used more than 1,000 orbits of the Hubble space telescope to make their observations – a massive investment of scientific resources. Something similar has been happening with Heymans’s results. “There’s been loads of improvement in our weak lensing measurements,” Heymans said. “There are three different teams now, and they’re all finding the same thing that we were finding 10 years ago.”
Not everyone agrees that there is a crisis in the field, or, if there is a crisis, exactly where it lies. Efstathiou takes seriously Heymans’s findings about the structure of the universe. But he isn’t convinced they will entail an overhaul of physics as we know it; instead, he has proposed, along with one of Heymans’s former graduate students, Alexandra Amon, that Heymans’s results may be due to something more mundane, such as the messy ways that galaxies evolve. He recently argued that it’s still entirely plausible that, in 50 years’ time, physicists will be saying that the standard cosmological model describes the universe “all the way down”. (There are also distant outliers in the current cosmological landscape, such as Pavel Kroupa at the University of Bonn, who reject the standard model, and the dark universe, altogether.)
Riess hopes that the community as a whole is moving towards the final stage of grief: acceptance that there might really be something wrong with the standard model. Yes, it’s surprising to find cracks in such a solid theoretical edifice. But, he asked, “What does surprising mean in a universe we don’t understand?” When Heymans reflected on the state of the field, she adopted a tone of theatrical despair mixed with wonderment: “We know so much, and yet … so little!”
After Heymans became ill in the spring of 2022, she drafted an automatic reply message, which she still uses today. “Dear Sender,” it reads, “Please accept my apologies as I’m unlikely to be able to respond to your email at this time. I’ve unfortunately joined the several million across the UK who are currently suffering from long Covid.”
Heymans faced her predicament like a scientist. Someone who studies billions of galaxies and countless variables must necessarily revel in data. Soon after she became ill, she opened a spreadsheet in which she began to track, in two-hour blocks, all her symptoms and activities. She was trying to understand how her symptoms related to her activity levels, so that she could find a more scientific basis for managing her wellbeing. She found that her chest pain correlated with talking and laughing, so she tried to cut down on both, which in her case is sort of like trying to extinguish the sun. Stress made her symptoms worse, which made her more stressed, so she had become “a convert to mindfulness”.
Her recovery was slow, and faltering, but six months after developing long Covid, Heymans was starting to feel glimmers of improvement. In early September, though, she contracted Covid for the second time. “A bit of an almighty setback,” she wrote to me shortly afterward. “Even though I don’t go anywhere, or see anyone, I have 3 kids who go to school and are therefore biohazards.” The good news was her kids hadn’t developed long-term symptoms, she continued. “The bad news is that I’ve moved from housebound mode to bedbound mode – who would have thought things could get worse!! Amazingly and happily I’m still quite sane and positive though.”
In late September, when the infection passed, Heymans began a five-week course of an experimental treatment to alleviate some of her symptoms. Hyperbaric oxygen therapy, or HBOT, involves sitting in a high-pressure chamber for 90 minutes while having oxygen forced into your lungs. (HBOT has been used for years by people suffering from myalgic encephalomyelitis, commonly known as chronic fatigue syndrome, to help keep symptoms at bay.) “Picture the scene from Star Wars where Darth Vader is inside a pressurised tank,” she told me. “That is more or less what I’m putting myself through – complete with the black face mask and tubes.” Because the pressure is equivalent to being 10 metres under water, patients call the sessions “dives”.
A chart Heymans made to track her long Covid symptoms. Photograph: Catherine Heymans
Heymans began keeping a record of her weeks in the chamber to share with other long Covid sufferers, which she called The HBOT Diaries. “I’m petrified,” she wrote before a trial dive on 26 September 2022. “This is the first time I’ve left the house in over a month, and the outside world is overwhelming.” There were no beds in the chamber, so she was forced to sit. “My head starts to throb, probably because this is the first time I’ve sat upright in a long time.” After the session, climbing the stairs back to her flat at the top of an Edinburgh tenement was “like climbing Mount Everest”. Two days later, she was suffering from insomnia, accompanied by “the usual spiral of despair and pain”. Heymans was told the next three weeks of treatment – four dives per week – would be gruelling. “Based on where I am at the moment I think that is an understatement,” she told me after the trial dive.
The following week, she began the full protocol feeling “tired, anxious and horrible”. In the waiting room, she met a “spiritual healer” who came over and silently held her hands. “Even though we are complete strangers” – one an astronomer, the other an astrologer – “it is so comforting to not be alone.” Later that week, the strange dreams began: “I spent hours feeding large French baguettes to giant ducks … Will the giant duck eat me?”
Long Covid is a highly unpredictable and frustrating condition, and it offers no clear trajectory or narrative. A string of good days can easily precede a collapse. By the end of her second week, in mid October, Heymans was able to bake her 10-year-old son a cake for his birthday, but it took her the entire day. She was able to join the family for dinner on a couple of nights, which she hadn’t been able to do for more than six weeks. “It is so lovely to hear their chatter and join in with the jokes,” she reported. But three days later, her diary entry read: “Glum crash”. “Maybe I’ve done too much or maybe it’s just the usual menstrual cycle dip” – she had previously had at least two major setbacks on day 21 of her cycle, when progesterone levels peak – “but I feel like death today.”
One week later, though, there was a hopeful note. Heymans wrote, “I can see the old me emerging.” She had spent the entirety of her 15th session writing computer code, and afterward she was able to go for a brief dip with a friend in the North Sea. A week after that, at the beginning of November, she was beaming: “What a transformation!” There was no change in her lung pain and sore throat, her heart palpitations, or her chronic runny nose, and her tinnitus was getting worse. But by the end of five weeks of treatment and 20 dives, there were improvements, though not total relief, from her fatigue, ear ache and the blurred vision in her right eye. Her brain fog and insomnia had dissipated, and her anxiety had gone away. She had built her own air purifier, out of air filters, a box fan and duct tape, in the hope of reducing the chances of reinfection.
The reprieve from her symptoms turned out to be painfully brief. At the start of 2023 she wrote to me, “Alas – two bars on the lateral flow test on Christmas Eve – what a kind festive family present of Covid from my daughter’s school. I’m back to mush-brain.” She was frustrated that people weren’t still required to mask, despite the the prevalence of long Covid – a study last June found that there were 2 million people living with it in the UK – but she felt she couldn’t force her children to be the only ones to cover up. Around that time she tweeted one of the lowest, angriest sentiments I’d ever heard her express: “Vetoing ‘get well soon’s as it feels that I will never be allowed to get well in our ‘let it rip’ society.”
“It’s a very lovely day, and the sun is shining on my bed, so that’s wonderful,” Heymans told me on a recent afternoon. She was “still very up and down on the long Covid rollercoaster”, and had sent me a copy of a cartoon that was circulating in the long Covid community. It was a drawing of a board game called Long Covid: All Snakes, No Ladders. One of the snakes, which took players back 21 squares, was labelled “Cried Too Much”. But not all days were bad. One evening last month, more than a year into her illness, her husband had given her a piggyback ride down to Portobello beach, where Mercury and Venus could be glimpsed together in the sky. Mercury is usually blotted out by the sun, and it was the first time Heymans had ever seen it.
Before she developed long Covid, a thousand opportunities seemed to lie at Heymans’s feet. The Queen had appointed her astronomer royal for Scotland in 2021, and she had since been approached as a potential director of some major scientific institutes. Now she worried that too much of the latest research would pass her by. “Maybe my new role, when this finally is all over, is to make things better for people coming up behind me?” she wondered aloud. “To show them that they can do this work and be normal.” Lying in her bed, she began to laugh her dam-bursting laugh and added, “You’re gonna say I’m not normal now.”
She, too, had been through the stages of grieving, not for some scientific ideal, but for her past self. She had been making her way towards acceptance that her life had changed, possibly permanently. “You can’t battle this, and you’ve only got a fixed amount of energy per day, so you can’t waste it on getting really upset,” she told me in April. “You’ve got to spend your energy doing stuff that fulfils you. For me, that’s astronomy.”
There’s no dearth of work for Heymans to do. The scientific questions she and her collaborators have opened up remain unanswered. In astronomy, “whenever you have a big controversy that you just can’t figure out, the answer is always to build a bigger telescope”, she likes to joke. She is currently waiting for the domes to open at the Vera Rubin Observatory in Chile’s Atacama desert, so she and her colleagues can begin making the most detailed images of space ever. Many cosmologists hope that the observatory, which boasts the world’s largest lens and camera, will provide enough new information about the universe to resolve the tensions between the standard cosmological model and the findings of Heymans, Riess and their respective collaborators. It may also help scientists to discover the nature of dark energy and dark matter.
And there are always bigger telescopes to be built. Among Heymans’s many ambitions is to build one on the dark side of the moon. It would be a kilometre wide – 30 times bigger than its biggest rival on Earth – with a perfectly smooth mirror of liquid mercury. It would be immune to artificial light, hazy atmosphere, and all the other contaminations here on the planet. She once dreamed of travelling to the moon herself to peer through it, in order to see the universe anew.
For now, Heymans is still largely confined to her bed or the chair in the HBOT chamber. She knows there is a chance that her disease may remain fundamentally mysterious, as may the universe she studies. But even if she never fully recovers, she will continue to wake up each morning and begin working again, gazing hopefully into darkness.
Reporting for this project was supported by a Silvers Grant for Work in Progress from the Robert B Silvers Foundation
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