La nature de la matière noire reste l'un des principaux problèmes non résolus de l'astrophysique, et les trous noirs primordiaux constituent une hypothèse attrayante car ils ne nécessitent pas de nouvelles particules. Le microlentillage, c'est-à-dire l'amplification temporaire de la lumière d'une étoile lorsqu'un objet compact passe près de la ligne de visée, teste directement cette idée. Pour des masses inférieures à 10^-10 masse solaire, les événements durent des minutes ou moins, et leur amplitude est supprimée en raison de la taille finie de l'étoile. Les relevés au sol sont limités par l'atmosphère et ne peuvent pas suivre de manière stable des éclairs aussi courts dans des champs brillants. Ce travail se distingue quelque peu des études voisines : la plupart recherchent des trous noirs plus massifs ou utilisent d'autres méthodes, alors qu'ici JWST est utilisé pour la première fois avec sa stabilité et sa haute résolution pour le nanolentillage dans M31.
Les auteurs ont construit le pipeline FLASH, qui part des données brutes de niveau 1 de NIRCam et préserve l'information temporelle dans les rampes de lecture, au lieu de la moyenner dans les images calibrées habituelles. Ils ont d'abord sélectionné 464 204 étoiles à partir des mosaïques F150W, en utilisant une corrélation avec une fonction de dispersion de point empirique. Ensuite, pour chaque image de la rampe, ils ont effectué une photométrie PSF avec modélisation simultanée du fond, ce qui est robuste aux rayons cosmiques. De plus, ils ont introduit des corrections empiriques pour la non-linéarité du détecteur et pour l'inhomogénéité de sensibilité sur le champ, obtenues à partir des données elles-mêmes par une méthode d'ubercalibration. Les rayons des étoiles ont été estimés en ajustant la photométrie multibande de JWST et du relevé archivé PHAT à des spectres synthétiques BOSZ. Pour la recherche d'événements, ils ont ajusté une grille de courbes de lumière modèles en tenant compte de la taille finie de la source, et les contraintes sur la fraction de trous noirs primordiaux ont été obtenues en combinant un calcul analytique du taux d'événements et une simulation de Monte Carlo de l'efficacité.
Sur deux ensembles d'observations du disque de M31 avec une cadence de 21,5 secondes (durée totale d'environ 1 heure dans chaque filtre), le pipeline a atteint une précision photométrique d'environ 1 % pour les étoiles brillantes, et la calibration empirique de la non-linéarité a nettement amélioré la précision par rapport à la calibration standard. Après sélection de 480 candidats et vérification visuelle, aucun événement de microlentillage convaincant n'a été trouvé. La simulation de Monte Carlo a montré que même si toute la matière noire était constituée de trous noirs primordiaux, le nombre attendu d'événements serait d'environ 0,03 pour une masse de 10^-9 masse solaire. Cela donne une limite supérieure à 95 % de f_PBH < 100 pour une masse d'environ 10^-8,5 masse solaire. La sensibilité est déterminée par des étoiles de rayons allant d'environ 5 à 100 rayons solaires, et la contribution des lentilles dans le halo de M31 est négligeable en raison de la courte durée d'observation.
Ce travail démontre pour la première fois que JWST peut servir de photomètre de haute précision avec une résolution temporelle inférieure à la minute dans des champs denses, ouvrant ainsi une nouvelle fenêtre pour la recherche de trous noirs primordiaux légers. Contrairement aux travaux voisins qui utilisent soit des télescopes au sol avec une moins bonne résolution angulaire, soit considèrent des objets plus massifs, ici est montrée l'applicabilité du télescope spatial précisément au régime de taille finie de la source, où les événements sont plus faibles mais plus nombreux. La limite obtenue est en soi plus faible que les contraintes au sol, mais elle est obtenue sur des données non optimisées pour cette tâche et sert donc de test conservateur de la méthode. Cela change l'évaluation des perspectives : un programme de monitoring dédié avec JWST pourrait améliorer les contraintes de plusieurs ordres de grandeur et explorer pour la première fois la gamme de masses inférieures à 10^-10 masse solaire.
Le sujet pourrait évoluer vers des programmes d'observation dédiés de JWST avec un monitoring continu de champs choisis de M31 ou d'autres cibles. L'optimisation du choix des filtres (par exemple F150W2 et F322W2), l'abandon du dithering fréquent et l'augmentation de la durée des observations pourraient accroître la sensibilité de plusieurs dizaines de milliers de fois. De plus, l'amélioration du marquage des pixels défectueux et le passage au lentillage par pixel permettraient d'utiliser encore plus d'étoiles. À terme, la méthode pourrait être étendue à la recherche de variabilité rapide des étoiles, de sursauts et d'occultations par des objets du système solaire.
Les résultats influenceront la planification des futurs relevés pour la recherche de matière noire, en particulier en lien avec la mission Roman Space Telescope, ainsi que les méthodes de traitement des données JWST pour la photométrie de haute précision.
La prochaine étape sera la réalisation d'un programme d'observation dédié de JWST avec des paramètres optimisés, ainsi que la mise en œuvre d'une simulation complète de bout en bout des événements pour vérifier l'efficacité de la sélection.
Ce travail est directement lié au problème non résolu de la nature de la matière noire : il teste l'hypothèse selon laquelle une partie significative de celle-ci pourrait être constituée de trous noirs primordiaux dans une gamme de masses encore peu contrainte. Il aborde également le problème de l'étalonnage des détecteurs de JWST pour une photométrie avec une précision meilleure que le pourcent, ce qui est important pour de nombreuses tâches astrophysiques, y compris la mesure de la constante de Hubble.
Pour une masse de 10^-9 masse solaire, un trou noir primordial a un rayon de Schwarzschild d'environ 3 nanomètres, comparable à la taille d'un virus, mais son champ gravitationnel peut amplifier la lumière d'une étoile dans la galaxie d'Andromède de plusieurs pour cent.
L'idée d'objets compacts invisibles déformant la lumière d'étoiles lointaines fait écho au roman « Pique-nique au bord du chemin » des frères Strougatski, où des zones anormales sont laissées par de mystérieux extraterrestres, bien qu'ici il s'agisse de candidats naturels pour la matière noire.