Пошук темної матерії зазвичай асоціюється з підземними детекторами або зіткненнями частинок на прискорювачах. Але є й інший, суто астрономічний підхід — гравітаційне мікролінзування. Якщо темна матерія складається бодай частково з компактних обʼєктів — наприклад, первинних чорних дір, що виникли в перші миті існування Всесвіту, — вони мають викривляти світло далеких зір, коли проходять точно на лінії зору. Чим менша маса такого обʼєкта, тим коротший і слабший спалах підсилення яскравості. Для чорних дір з масою менше однієї десятимільярдної маси Сонця такі події тривають лише секунди-хвилини і сильно послаблюються через ненульовий розмір самої зорі-джерела (так званий ефект скінченного джерела).
Саме цей діапазон мас — «астероїдний» — залишається одним із найменш досліджених кутків карти можливої темної матерії. Наземні телескопи мають обмежену часову роздільність і атмосферні перешкоди, тож для пошуку секундних спалахів потрібен космічний телескоп із високою чутливістю та можливістю знімати часто.
Як працює пайплайн FLASH
Автори дослідження розробили спеціалізований пайплайн під назвою FLASH (Fast Lensing And Sub-minute High-accuracy photometry) — програму обробки даних камери NIRCam телескопа James Webb, орієнтовану саме на пошук короткочасного мікролінзування. Особливість підходу в тому, що він працює з даними на рівні Level 1 — це найраніший, «сирий» етап обробки, який зберігає повну інформацію про накопичення сигналу детектором протягом експозиції (детекторну рампу). Це дозволяє відновити тонку часову структуру сигналу, яку втрачають при стандартній обробці.
Крім того, пайплайн застосовує вдосконалену калібрацію детектора — з урахуванням нелінійності відгуку та залежності калібрувальних параметрів від положення на кадрі. Це критично важливо для точної фотометрії в переповнених зоряних полях, де точки зір накладаються одна на одну і будь-яка систематична помилка калібрування спотворює вимірювання блиску. FLASH виконує форсовану багатоканальну фотометрію — вимірює блиск конкретних відомих зір у кожному кадрі окремо, будуючи криві блиску з високою точністю.
Спостереження диска Андромеди
Пайплайн застосували до двох публічних наборів даних JWST/NIRCam, орієнтованих на диск галактики М31 (Андромеди) — програми GO-4735 та GO-2609. Обидва набори мали каденцію (частоту знімків) 21,5 секунди, що достатньо для реєстрації подій тривалістю в межах хвилини.
Важливо, що ці спостереження не планувалися як спеціалізований огляд для пошуку мікролінзування — це побічний продукт інших наукових програм. Тому автори чесно зазначають: як мікролінзувальний огляд ці дані є суттєво неоптимальними. Проте вони виявилися корисним стрес-тестом: чи здатен JWST взагалі забезпечити необхідну точність фотометрії в такому складному, яскравому та перенаселеному зорями полі, як диск сусідньої галактики.
Перші обмеження та що далі
Поєднавши реальні дані з власними симуляціями мікролінзувальних подій, дослідники отримали перші засновані на спостереженнях JWST обмеження на частку темної матерії у формі первинних чорних дір у напрямку М31. Для маси чорних дір близько однієї мільярдної маси Сонця частка темної матерії, яку можуть становити такі обʼєкти, не перевищує приблизно 100 (у нормалізованих одиницях моделі fPBH — параметра, що показує, у скільки разів обмеження перевищує повну частку темної матерії; значення більше 1 означає, що обмеження ще не є фізично значущим, тобто не виключає навіть 100% темної матерії у такій формі).
Це означає, що поки результат не є конкурентним обмеженням у прямому сенсі — він демонструє скоріше методологічну можливість, ніж остаточну заборону на існування таких обʼєктів у зазначеному діапазоні мас. Але саме в цьому й полягає головний висновок роботи: JWST технічно здатен реєструвати секундні-хвилинні флуктуації блиску зір у переповненому позагалактичному полі з потрібною точністю.
Автори підкреслюють, що спеціально спроєктована, безперервна програма моніторингу NIRCam, розрахована саме на пошук мікролінзування, могла б суттєво посилити обмеження на компактну темну матерію нижче поточного рівня, досяжного з поверхні Землі. Це відкриває шлях до майбутніх спеціалізованих програм спостережень JWST, орієнтованих конкретно на низькомасові первинні чорні дірки — один із найменш вивчених кандидатів на роль темної матерії Всесвіту.
