Природа тёмной материи остаётся одной из главных нерешённых задач астрофизики, а первичные чёрные дыры — привлекательная гипотеза, поскольку им не нужны новые частицы. Микролинзирование, то есть временное усиление света звезды при прохождении компактного объекта вблизи луча зрения, напрямую проверяет эту идею. Для масс ниже $10^{-10}$ масс Солнца события длятся минуты и меньше, а их амплитуда подавлена из-за конечного размера звезды. Наземные обзоры ограничены атмосферой и не могут стабильно отслеживать такие короткие вспышки в ярких полях. Работа стоит несколько в стороне от соседних исследований: большинство из них либо ищут более массивные чёрные дыры, либо используют другие методы, тогда как здесь впервые задействован JWST с его стабильностью и высоким разрешением для нанолинзирования в M31.
Авторы построили конвейер FLASH, который начинает с необработанных данных уровня 1 NIRCam и сохраняет информацию о времени внутри рампы считывания, вместо того чтобы усреднять её в обычные калиброванные изображения. Сначала они отобрали 464 204 звезды по мозаикам F150W, используя корреляцию с эмпирической функцией рассеяния точки. Затем для каждого кадра рампы выполнили PSF-фотометрию с одновременным моделированием фона, что устойчиво к космическим лучам. Дополнительно ввели эмпирические поправки на нелинейность детектора и на неоднородность чувствительности по полю, полученные из самих данных методом уберкалибровки. Радиусы звёзд оценили подгонкой многоцветной фотометрии из JWST и архивного обзора PHAT к синтетическим спектрам BOSZ. Для поиска событий подгоняли сетку модельных кривых блеска с учётом конечного размера источника, а ограничения на долю первичных чёрных дыр получили комбинацией аналитического расчёта темпа событий и Монте-Карло моделирования эффективности.
На двух наборах наблюдений диска M31 с каденцией 21,5 секунды (общая длительность около 1 часа в каждом фильтре) конвейер достиг фотометрической точности около 1% для ярких звёзд, причём эмпирическая калибровка нелинейности заметно улучшила точность по сравнению со стандартной. После отбора 480 кандидатов и визуальной проверки не найдено ни одного убедительного события микролинзирования. Монте-Карло моделирование показало, что даже если бы вся тёмная материя состояла из первичных чёрных дыр, ожидаемое число событий составило бы около 0,03 для массы $10^{-9}$ масс Солнца. Это даёт 95% верхний предел $f_{PBH}$ < 100 при массе около $10^{-8}$,5 масс Солнца. Чувствительность определяется звёздами с радиусами примерно от 5 до 100 радиусов Солнца, а вклад линз в гало M31 пренебрежимо мал из-за короткого времени наблюдения.
Работа впервые демонстрирует, что JWST может выступать как высокоточный фотометр с субминутным временным разрешением в переполненных полях, что открывает новое окно для поиска лёгких первичных чёрных дыр. В отличие от соседних работ, которые либо используют наземные телескопы с худшим угловым разрешением, либо рассматривают более массивные объекты, здесь показана применимость космического телескопа именно к режиму конечного размера источника, где события слабее, но многочисленнее. Полученный предел сам по себе слабее наземных ограничений, но он получен на данных, не оптимизированных для этой задачи, и потому служит консервативной проверкой метода. Это меняет оценку перспектив: специализированная программа мониторинга на JWST может улучшить ограничения на несколько порядков и впервые исследовать диапазон масс ниже $10^{-10}$ масс Солнца.
Тема может развиваться в сторону специализированных наблюдательных программ JWST с непрерывным мониторингом выбранных полей M31 или других целей. Оптимизация выбора фильтров (например, F150W2 и F322W2), отказ от частого дитеринга и увеличение длительности наблюдений способны повысить чувствительность в десятки тысяч раз. Кроме того, улучшение флагирования плохих пикселей и переход к пиксельному линзированию позволят использовать ещё больше звёзд. В перспективе метод можно распространить на поиск быстрой переменности звёзд, вспышек и покрытий объектами Солнечной системы.
Результаты повлияют на планирование будущих обзоров для поиска тёмной материи, особенно в связи с миссией Roman Space Telescope, а также на методику обработки данных JWST для высокоточной фотометрии.
Следующим шагом станет проведение специализированной наблюдательной программы JWST с оптимизированными параметрами, а также внедрение полного сквозного моделирования событий для проверки эффективности отбора.
Работа напрямую связана с нерешённой проблемой природы тёмной материи: она проверяет гипотезу о том, что значительная её часть может состоять из первичных чёрных дыр в диапазоне масс, который пока слабо ограничен. Также она затрагивает проблему калибровки детекторов JWST для фотометрии с точностью лучше процента, что важно для многих астрофизических задач, включая измерение постоянной Хаббла.
При массе $10^{-9}$ масс Солнца первичная чёрная дыра имеет радиус Шварцшильда около 3 нанометров, что сравнимо с размером вируса, но её гравитационное поле способно усилить свет звезды в галактике Андромеды на несколько процентов.
Идея невидимых компактных объектов, искажающих свет далёких звёзд, перекликается с романом «Пикник на обочине» братьев Стругацких, где аномальные зоны оставлены загадочными пришельцами, хотя здесь речь о естественных кандидатах в тёмную материю.