Телескоп JWST впервые использовали для поиска первичных чёрных дыр через микролинзирование

Астрономы впервые использовали космический телескоп James Webb для поиска сверхкоротких событий гравитационного микролинзирования, которые могут создавать гипотетические первичные чёрные дыры малой массы. Учёные разработали специальную систему обработки данных JWST и применили её к наблюдениям галактики Андромеды. Первичные чёрные дыры обнаружить не удалось, однако исследователи впервые получили основанные на данных JWST ограничения для таких объектов и показали, что телескоп способен искать компактную тёмную материю на масштабах, труднодоступных наземным наблюдениям.

Первичные чёрные дыры принципиально отличаются от обычных астрофизических чёрных дыр, возникающих после коллапса массивных звёзд. Согласно гипотезе, они могли сформироваться из чрезвычайно плотных неоднородностей вещества в первые мгновения существования Вселенной. В зависимости от условий их образования такие объекты могли иметь очень широкий диапазон масс, включая значения намного меньше массы звезды.

Интерес к первичным чёрным дырам во многом связан с проблемой тёмной материи. Если такие объекты существуют в достаточном количестве, они потенциально могут составлять некоторую долю невидимой массы Вселенной. Один из способов проверить эту гипотезу — искать их по гравитационному воздействию на свет далёких звёзд.

Когда компактный объект проходит почти точно между наблюдателем и далёкой звездой, его гравитация искривляет свет и на короткое время увеличивает наблюдаемую яркость звезды. Этот эффект называется гравитационным микролинзированием. Продолжительность события зависит в том числе от массы линзирующего объекта: чем меньше масса, тем короче может быть вспышка.

Для первичных чёрных дыр астероидного масштаба характерный сигнал способен длиться минуты или даже меньше минуты. Именно здесь возникает техническая проблема: обычные астрономические наблюдения часто имеют недостаточно высокое временное разрешение, чтобы надёжно обнаруживать такие быстрые изменения.

Дэвид Рубин и Иштван Сапуди разработали для решения этой задачи систему FLASH — Fast Lensing And Sub-minute High-accuracy photometry with JWST. Она предназначена для поиска быстрых событий микролинзирования на изображениях камеры NIRCam телескопа James Webb. Система сохраняет временную информацию, содержащуюся непосредственно в последовательности считываний детектора, вместо того чтобы анализировать только готовое итоговое изображение.

Исследователи также усовершенствовали коррекцию нелинейности детектора и других инструментальных эффектов и разработали метод точной фотометрии для чрезвычайно плотных звёздных полей. Это особенно важно для наблюдений Андромеды, где на изображениях JWST свет множества звёзд накладывается друг на друга.

Авторы проверили FLASH на двух уже существующих наборах наблюдений JWST/NIRCam, полученных в рамках программ GO-4735 и GO-2609. Оба набора охватывали диск галактики Андромеды, или M31, и обеспечивали измерения с интервалом всего 21,5 секунды. Такое временное разрешение позволяет искать изменения яркости на масштабах значительно меньше минуты.

Сами наблюдения изначально не предназначались для поиска первичных чёрных дыр и поэтому не являются оптимальной программой микролинзирования. Тем не менее они позволили проверить, насколько хорошо JWST способен выполнять высокочастотные фотометрические наблюдения в плотном звёздном поле.

Учёные совместили реальные данные с компьютерным моделированием событий микролинзирования и получили первые ограничения на распространённость первичных чёрных дыр по наблюдениям JWST в направлении Андромеды. Особый интерес представляет область масс около 10⁻⁹ массы Солнца. Это примерно 2 × 10²¹ килограмм, то есть масса крупного астероида или небольшой карликовой планеты, хотя физический размер чёрной дыры при такой массе был бы несравнимо меньше.

Для объектов такой массы авторы получили ограничение порядка fPBH ≲ 100, где fPBH обозначает долю тёмной материи, приходящуюся на первичные чёрные дыры. Это ограничение само по себе пока недостаточно сильное, чтобы исключить сценарий, в котором вся тёмная материя состоит из подобных объектов: значение выше единицы означает, что текущих данных для такого вывода просто не хватает. Главным результатом работы поэтому является не новое жёсткое ограничение на тёмную материю, а демонстрация возможностей JWST.

Сложность поиска дополнительно возрастает при очень малых массах чёрных дыр. Тогда становится существенным конечный угловой размер самой фоновой звезды. Вместо идеального точечного источника телескоп наблюдает звезду с конечной светящейся поверхностью, из-за чего кратковременное усиление света становится слабее. Авторы специально учитывали этот эффект при моделировании.

JWST обладает важным преимуществом благодаря сочетанию высокой чувствительности, инфракрасных наблюдений и способности разделять звёзды в чрезвычайно плотных областях Андромеды. При этом для поиска быстрых событий особенно важно использовать временную информацию, которая обычно теряется при сведении множества считываний детектора в одно изображение.

Результаты показывают, что специально разработанная программа наблюдений могла бы быть значительно эффективнее использованных архивных данных. Авторы предлагают непрерывно наблюдать плотное звёздное поле Андромеды камерой NIRCam с высокой частотой измерений. Такая программа позволила бы зарегистрировать больше звёзд одновременно и повысить вероятность обнаружения чрезвычайно короткого события микролинзирования.

Если первичные чёрные дыры астероидной массы действительно составляют заметную часть тёмной материи, продолжительные высокочастотные наблюдения JWST могут либо обнаружить характерные вспышки, либо значительно сократить допустимый диапазон их распространённости. Таким образом, телескоп, созданный прежде всего для изучения первых галактик, звёзд и атмосфер экзопланет, может стать инструментом для проверки одной из гипотез о природе тёмной материи.

Исследование представлено в виде препринта на arXiv и направлено для публикации в журнал The Astrophysical Journal.