La naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los principales problemas sin resolver en astrofísica, y los agujeros negros primordiales son una hipótesis atractiva porque no requieren nuevas partículas. El microlente gravitacional, es decir, el aumento temporal de la luz de una estrella cuando un objeto compacto pasa cerca de la línea de visión, pone a prueba directamente esta idea. Para masas inferiores a 10^-10 masas solares, los eventos duran minutos o menos, y su amplitud se ve suprimida debido al tamaño finito de la estrella. Los sondeos terrestres están limitados por la atmósfera y no pueden rastrear de manera estable destellos tan cortos en campos brillantes. El trabajo se sitúa algo aparte de las investigaciones vecinas: la mayoría busca agujeros negros más masivos o utiliza otros métodos, mientras que aquí se emplea por primera vez el JWST, con su estabilidad y alta resolución, para el nanolente en M31.
Los autores construyeron el flujo FLASH, que comienza con datos brutos de nivel 1 de NIRCam y conserva la información temporal dentro de la rampa de lectura, en lugar de promediarla en las imágenes calibradas habituales. Primero seleccionaron 464 204 estrellas a partir de los mosaicos F150W, utilizando la correlación con una función de dispersión de punto empírica. Luego, para cada cuadro de la rampa, realizaron fotometría PSF modelando simultáneamente el fondo, lo que es robusto frente a los rayos cósmicos. Además, introdujeron correcciones empíricas por no linealidad del detector y por inhomogeneidad de sensibilidad en el campo, obtenidas de los propios datos mediante un método de supercalibración. Los radios estelares se estimaron ajustando la fotometría multicolor del JWST y del sondeo de archivo PHAT a espectros sintéticos BOSZ. Para buscar eventos, ajustaron una cuadrícula de curvas de luz modelo teniendo en cuenta el tamaño finito de la fuente, y los límites a la fracción de agujeros negros primordiales se obtuvieron combinando un cálculo analítico de la tasa de eventos con simulaciones de Monte Carlo de la eficiencia.
En dos conjuntos de observaciones del disco de M31 con una cadencia de 21,5 segundos (duración total de aproximadamente 1 hora en cada filtro), el flujo alcanzó una precisión fotométrica de aproximadamente el 1% para estrellas brillantes, y la calibración empírica de no linealidad mejoró notablemente la precisión en comparación con la estándar. Tras seleccionar 480 candidatos y una inspección visual, no se encontró ningún evento de microlente convincente. Las simulaciones de Monte Carlo mostraron que, incluso si toda la materia oscura estuviera compuesta por agujeros negros primordiales, el número esperado de eventos sería de aproximadamente 0,03 para una masa de 10^-9 masas solares. Esto da un límite superior del 95% de f_PBH < 100 para masas de aproximadamente 10^-8,5 masas solares. La sensibilidad está determinada por estrellas con radios de aproximadamente 5 a 100 radios solares, y la contribución de las lentes en el halo de M31 es despreciable debido al corto tiempo de observación.
El trabajo demuestra por primera vez que el JWST puede actuar como un fotómetro de alta precisión con resolución temporal subminuto en campos abarrotados, lo que abre una nueva ventana para la búsqueda de agujeros negros primordiales ligeros. A diferencia de los trabajos vecinos, que utilizan telescopios terrestres con peor resolución angular o consideran objetos más masivos, aquí se muestra la aplicabilidad del telescopio espacial precisamente al régimen de tamaño finito de la fuente, donde los eventos son más débiles pero más numerosos. El límite obtenido es en sí mismo más débil que las restricciones terrestres, pero se ha logrado con datos no optimizados para esta tarea y, por tanto, sirve como una verificación conservadora del método. Esto cambia la evaluación de las perspectivas: un programa de monitoreo específico con el JWST podría mejorar los límites en varios órdenes de magnitud y explorar por primera vez el rango de masas por debajo de 10^-10 masas solares.
El tema podría desarrollarse hacia programas de observación específicos del JWST con monitoreo continuo de campos seleccionados de M31 u otros objetivos. La optimización de la selección de filtros (por ejemplo, F150W2 y F322W2), la eliminación del dithering frecuente y el aumento de la duración de las observaciones podrían mejorar la sensibilidad en decenas de miles de veces. Además, mejorar el marcado de píxeles malos y pasar al lente de píxeles permitiría utilizar aún más estrellas. En el futuro, el método podría extenderse a la búsqueda de variabilidad rápida de estrellas, llamaradas y ocultaciones por objetos del sistema solar.
Los resultados influirán en la planificación de futuros sondeos para buscar materia oscura, especialmente en relación con la misión del Telescopio Espacial Romano, así como en la metodología de procesamiento de datos del JWST para fotometría de alta precisión.
El siguiente paso será llevar a cabo un programa de observación específico del JWST con parámetros optimizados, así como implementar una simulación completa de extremo a extremo de los eventos para verificar la eficiencia de selección.
El trabajo está directamente relacionado con el problema no resuelto de la naturaleza de la materia oscura: pone a prueba la hipótesis de que una parte significativa de ella podría estar compuesta por agujeros negros primordiales en un rango de masas que aún está débilmente restringido. También aborda el problema de la calibración de los detectores del JWST para fotometría con precisión mejor que el 1%, lo que es importante para muchas tareas astrofísicas, incluida la medición de la constante de Hubble.
Con una masa de 10^-9 masas solares, un agujero negro primordial tiene un radio de Schwarzschild de aproximadamente 3 nanómetros, comparable al tamaño de un virus, pero su campo gravitacional puede amplificar la luz de una estrella en la galaxia de Andrómeda en varios por ciento.
La idea de objetos compactos invisibles que distorsionan la luz de estrellas lejanas resuena con la novela 'Picnic junto al camino' de los hermanos Strugatski, donde zonas anómalas son dejadas por misteriosos alienígenas, aunque aquí se trata de candidatos naturales a materia oscura.