لا تزال طبيعة المادة المظلمة واحدة من أهم المشكلات غير المحلولة في الفيزياء الفلكية، والثقوب السوداء البدائية فرضية جذابة لأنها لا تتطلب جسيمات جديدة. العدسة الدقيقة (microlensing)، أي التضخيم المؤقت لضوء نجم عند مرور جسم مضغوط بالقرب من خط الرؤية، تختبر هذه الفكرة مباشرة. بالنسبة للكتل الأقل من 10^-10 من كتلة الشمس، تستمر الأحداث لدقائق أو أقل، وتكون سعتها مكبوتة بسبب الحجم المحدود للنجم. المسوحات الأرضية محدودة بالغلاف الجوي ولا يمكنها تتبع مثل هذه الومضات القصيرة بشكل ثابت في الحقول الساطعة. يقف هذا العمل جانبًا إلى حد ما عن الأبحاث المجاورة: معظمها إما يبحث عن ثقوب سوداء أكثر ضخامة أو يستخدم طرقًا أخرى، بينما هنا ولأول مرة يتم استخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي مع استقراره ودقته العالية للعدسة النانوية (nanolensing) في M31.
بنى المؤلفون خط أنابيب FLASH الذي يبدأ من بيانات المستوى الأول غير المعالجة من NIRCam ويحافظ على المعلومات الزمنية داخل منحدر القراءة، بدلاً من متوسطها في صور معايرة عادية. أولاً، قاموا باختيار 464,204 نجمًا من الفسيفساء F150W باستخدام الارتباط مع دالة انتشار النقطة التجريبية. ثم، لكل إطار من المنحدر، قاموا بقياس ضوئي PSF مع نمذجة الخلفية في نفس الوقت، مما يجعل الطريقة مقاومة للأشعة الكونية. بالإضافة إلى ذلك، أدخلوا تصحيحات تجريبية لعدم خطية الكاشف ولعدم تجانس الحساسية عبر المجال، تم الحصول عليها من البيانات نفسها بطريقة إعادة المعايرة الفائقة. تم تقدير أنصاف أقطار النجوم من خلال ملاءمة القياسات الضوئية متعددة الألوان من JWST والمسح الأرشيفي PHAT مع الأطياف الاصطناعية BOSZ. للبحث عن الأحداث، قاموا بملاءمة شبكة من منحنيات الضوء النموذجية مع مراعاة الحجم المحدود للمصدر، وتم الحصول على القيود على نسبة الثقوب السوداء البدائية من خلال الجمع بين الحساب التحليلي لمعدل الأحداث ومحاكاة مونت كارلو للكفاءة.
على مجموعتي ملاحظات لقرص M31 بمعدل زمني قدره 21.5 ثانية (المدة الإجمالية حوالي ساعة واحدة في كل مرشح)، حقق خط الأنابيب دقة قياس ضوئي تبلغ حوالي 1% للنجوم الساطعة، حيث أدت المعايرة التجريبية لعدم الخطية إلى تحسين الدقة بشكل ملحوظ مقارنة بالمعايرة القياسية. بعد اختيار 480 مرشحًا والفحص البصري، لم يتم العثور على أي حدث عدسة دقيقة مقنع. أظهرت محاكاة مونت كارلو أنه حتى لو كانت كل المادة المظلمة تتكون من ثقوب سوداء بدائية، لكان العدد المتوقع للأحداث حوالي 0.03 لكتلة 10^-9 من كتلة الشمس. وهذا يعطي حدًا أعلى بنسبة 95% f_PBH < 100 عند كتلة حوالي 10^-8.5 من كتلة الشمس. يتم تحديد الحساسية بواسطة النجوم ذات أنصاف الأقطار من حوالي 5 إلى 100 نصف قطر شمسي، ومساهمة العدسات في هالة M31 مهملة بسبب وقت المراقبة القصير.
يوضح هذا العمل لأول مرة أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي يمكن أن يعمل كمقياس ضوئي عالي الدقة بدقة زمنية أقل من دقيقة في الحقول المزدحمة، مما يفتح نافذة جديدة للبحث عن الثقوب السوداء البدائية الخفيفة. على عكس الأعمال المجاورة التي تستخدم إما تلسكوبات أرضية بدقة زاوية أسوأ أو تدرس أجسامًا أكثر ضخامة، هنا يتم عرض قابلية تطبيق التلسكوب الفضائي تحديدًا على نظام الحجم المحدود للمصدر، حيث تكون الأحداث أضعف ولكنها أكثر عددًا. الحد الذي تم الحصول عليه في حد ذاته أضعف من القيود الأرضية، لكنه تم الحصول عليه على بيانات لم يتم تحسينها لهذه المهمة، وبالتالي فهو بمثابة اختبار متحفظ للطريقة. وهذا يغير تقييم الآفاق: برنامج مراقبة متخصص على تلسكوب جيمس ويب الفضائي يمكنه تحسين القيود بعدة مراتب واستكشاف نطاق الكتل الأقل من 10^-10 من كتلة الشمس لأول مرة.
يمكن أن يتطور الموضوع نحو برامج مراقبة متخصصة لتلسكوب جيمس ويب الفضائي مع مراقبة مستمرة لحقول مختارة من M31 أو أهداف أخرى. تحسين اختيار المرشحات (على سبيل المثال، F150W2 وF322W2)، والتخلي عن التوجيه المتكرر (dithering)، وزيادة مدة الملاحظات يمكن أن تزيد الحساسية بعشرات الآلاف من المرات. بالإضافة إلى ذلك، فإن تحسين وضع علامات على البكسلات السيئة والانتقال إلى العدسة البكسلية سيسمح باستخدام المزيد من النجوم. في المستقبل، يمكن توسيع الطريقة للبحث عن التغير السريع للنجوم، والتوهجات، والاحتجابات بواسطة أجسام النظام الشمسي.
ستؤثر النتائج على تخطيط المسوحات المستقبلية للبحث عن المادة المظلمة، خاصة فيما يتعلق بمهمة تلسكوب رومان الفضائي (Roman Space Telescope)، وكذلك على منهجية معالجة بيانات تلسكوب جيمس ويب الفضائي للقياس الضوئي عالي الدقة.
ستكون الخطوة التالية هي تنفيذ برنامج مراقبة متخصص لتلسكوب جيمس ويب الفضائي بمعلمات محسنة، بالإضافة إلى إدخال محاكاة شاملة للأحداث للتحقق من كفاءة الاختيار.
يرتبط العمل ارتباطًا مباشرًا بالمشكلة غير المحلولة المتعلقة بطبيعة المادة المظلمة: فهو يختبر الفرضية القائلة بأن جزءًا كبيرًا منها قد يتكون من ثقوب سوداء بدائية في نطاق كتلة لا يزال مقيدًا بشكل ضعيف. كما يتناول مشكلة معايرة كاشفات تلسكوب جيمس ويب الفضائي للقياس الضوئي بدقة أفضل من واحد في المئة، وهو أمر مهم للعديد من المهام الفيزيائية الفلكية، بما في ذلك قياس ثابت هابل.
عند كتلة 10^-9 من كتلة الشمس، يبلغ نصف قطر شفارتزشيلد للثقب الأسود البدائي حوالي 3 نانومترات، وهو ما يعادل حجم فيروس، لكن مجال جاذبيته قادر على تضخيم ضوء نجم في مجرة المرأة المسلسلة بنسبة عدة في المئة.
فكرة الأجسام المدمجة غير المرئية التي تشوه ضوء النجوم البعيدة تذكرنا برواية «نزهة على جانب الطريق» للأخوين ستروغاتسكي، حيث تُركت مناطق شاذة بواسطة كائنات فضائية غامضة، على الرغم من أننا هنا نتحدث عن مرشحين طبيعيين للمادة المظلمة.