2019年天文领域大事件回顾-返朴的财新博客-财新网

撰文 | 王善钦

2019年就要结束了。在过去的一年中，有哪些非常重要甚至刷屏的天文大事？细数一下，其实不少。

这一年，诺贝尔物理学奖又一次花落天文领域：宇宙学大佬皮伯斯因为告诉我们宇宙如何演化而获得了诺贝尔物理学家奖的一半；系外行星探测的先驱麦耶与奎洛兹因为告诉我们还有一个行星绕着和太阳类似的行星转而获得了诺贝尔物理学家奖的另一半。

这一年，射电天文学又下一城，震撼全世界：全球200多个天文学家参与、8台射电望远镜联合成一个地球那么大的望远镜拍摄出的黑洞照片被公布，从此人类看到了神秘的黑洞。

这一年，“嫦娥”继续飞月，“隼鸟”进龙宫探宝：中国的嫦娥4号成为人类第一个在月球背面软着陆的探测器并放出了玉兔2号月球车，成为月球上最长命的月球车；日本的隼鸟2号则跑到小行星“龙宫”上采集岩石与泥土，创下多个记录，然后朝着返回地球的路上奔跑。

这一年，NASA的两个探测器朝着几乎相反的两个方向自由飞：新视野太空船飞掠冥王星之外的冰冷小行星“海角天涯”，帕克太阳探测器则朝着炽热的太阳继续进发；

这一年，位于中国西藏的羊八井高能粒子探测器与位于中国河北兴隆的郭守敬望远镜（LAMOST）分别探测到破纪录的“怪物”：中日高能物理学家用羊八井探测器探测到破记录的高能量光子；中外天文学家用郭守敬望远镜与Keck望远镜、GTC望远镜搜寻并确认破纪录的恒星级黑洞。

这一年，与引力波有关的研究依然炙手可热，人们在探索重元素产生之谜与致密星并合的现象方面又有新进展：丹麦天文学家在两颗中子星并合之后的“灰烬”里找到了锶元素存在的证据；中国团队发现双中子星并合后可能形成大质量磁星的证据；引力波探测器LIGO可能发现了黑洞与中子星并合发出的引力波。

纷纷扰扰的2019年，天文学家们、航天专家与物理学家们给我们献出了一个又一个惊喜。本文梳理以上12大天文有关的进展，以飨读者。由于选择标准的差异，有些读者认为的重要进展这里未列入，在此先说明。

更重要的声明：除了诺贝尔奖（2项）、黑洞照片（1项）与航天探测有关的项目（4项）外，其他各项大事的顺序不代表重要性的大小。

1 皮伯斯获得2019年度诺贝尔物理学奖

2019年10月8日，瑞典皇家科学院宣布2019年度的诺贝尔物理学奖的一半由84岁高龄的詹姆斯·皮伯斯（James Peebles，1935-）获得。

皮伯斯获奖是因为在宇宙学领域的长期、原创性、影响深远的工作，因此这个奖其实更像是终身成就奖，而不是针对某个特别的成果的奖励。因为在宇宙学方面的持续推动作用，皮伯斯被誉为现代宇宙学之父。因为众多突出贡献，他此前已经拿了10个大大小小的奖，手都拿软了。诺贝尔奖这次又在他手上塞了块奖牌。

皮伯斯的工作概括起来就是研究以下方面：宇宙如何演化？宇宙的结构如何形成？宇宙由什么组成？极早期宇宙中的元素如何合成？暗物质的本质是什么？暗能量的本质是什么？对于上述问题，皮伯斯都做出了突出贡献。

例如，现在宇宙学界公认宇宙大部分由暗能量构成。暗能量是起排斥作用的，会使宇宙加速膨胀。历史上，爱因斯坦提出的宇宙学常数就具有排斥作用。为了简单叙述，我们姑且把暗能量等同于宇宙学常数。皮伯斯是最早提出宇宙中大部分成分是宇宙学常数的人，这个理论预测后来在1998年被两个超新星观测小组分别验证，这两个小组的学术带头人后来获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

这并不是宇宙学仅有的两次诺比尔奖。在此之前，彭齐亚斯与威尔逊因为在地面上探测到宇宙微波背景辐射而获得了1978年的诺贝尔物理学奖，斯穆特与马瑟因为领导小组用卫星探测了完整的宇宙微波背景辐射而获得了2006年的诺贝尔奖。微波背景辐射是宇宙大爆炸之后的“余烬”。皮伯斯早年通过计算，认为宇宙中存在微波背景辐射。但赫尔曼与阿尔夫更早预测过，所以这方面皮伯斯不算第一人。

2 麦耶和奎洛兹获得2019年度诺贝尔物理学奖

2019年物理诺奖的另外一半由米歇尔·麦耶（Michel Mayor，1942-）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz，1966-）分享，他们的因为系外行星方面的突破性成果而得奖。系外行星的全称是“太阳系外的行星”。

长期以来，人们猜测宇宙中的恒星中有相当一部分具有行星，它们就是系外行星。但由于恒星光芒远超过周围的行星反射的光，以及探测技术的限制，人们长期以来无法探测到任何系外行星。

1992年，有人首次发现了一颗系外行星。这颗系外行星围绕一颗中子星公转，因此不大受重视，说起来也是挺冤的。1995年，麦耶与奎洛兹发现了一颗围绕着飞马座51旋转的系外行星，而飞马座51的性质类似于太阳，中国古人称之为“室宿增一”，可见这颗星是可以用肉眼直接看到的。1995年，奎洛兹29岁，还在跟随麦耶读博士。总结起来，可以用一句有些拗口的句子描述：麦耶和奎洛兹首次发现围绕一个类似于太阳的恒星的系外行星。因为这个成果，他们被授予2019年的物理诺奖。

图：图中红圈内部的黑点就是飞马座51，旁边所有光点也都是恒星（来源：Wikipedia）

麦耶和奎洛兹与奎洛兹探测系外行星的方法是“视向速度法”。行星环绕恒星运动时，恒星也会被行星拽动，二者共同环绕一个共同的中心运动。恒星的周期性运动会导致其发出的光时而变得更红、时而变得更蓝，交替变化。如果看到一颗恒星发出的光的颜色有这样的交替变化，就可以判定它带着行星。根据恒星颜色变化的程度，还可以计算出行星的质量下限。

除了这个方法之外，还有根据恒星亮度周期性微微变暗来确定系外行星的“凌星法”，遮挡恒星之后拍照的“直接成像法”、利用引力透镜效应进行探测的“微引力透镜法”，等等。有时候，天文学家使用多个方法交叉检验，排除假信号。

过去20多年，系外行星获得了巨大的进步，成为天文学领域的新贵，“开普勒”望远镜共发现了几千颗系外行星，另外还发现几千颗等待确认的候选体。麦耶与奎洛兹获得物理诺奖，对于这个炙手可热的领域而言，可谓锦上添花。

3 全球多个亚毫米射电望远镜临时构成的EHT获得首张黑洞照片

理论研究认为，当一个天体的引力大到连自己发出的光都无法逃脱时，这个天体就不可以被任何接收电磁波的仪器看到，它就成为黑洞。尽管米歇尔与拉普拉斯早已根据牛顿力学的计算提出这个概念，但只有爱因斯坦的相对论可以正确描述黑洞的性质。

对黑洞的探测，一直是间接探测。过去几年来，世界上的8个射电望远镜同时对准银河系中心与M87中心，接收它们发出的电磁波，这个临时构成的射电望远镜阵列被命名为事件视界望远镜，缩写为EHT。这8个望远镜都是接受那些波长比1毫米还短一些的波，即亚毫米波。这么多望远镜同时观测同一个目标，等价于一个地球那么大的望远镜，分辨率大大提高，因此足以分辨出目标黑洞周围的细节。共有200多位来自世界各地的天文学家参与了这个项目，其中12位来自中国大陆。

2019年4月10日，EHT公布了它们拍摄到的黑洞照片，轰动了世界。黑洞不是不发光吗？怎么可以拍出照片？事实上，黑洞自身确实无法发出任何电磁波，这些望远镜接收的是它们周围的炽热物质发出的电磁波。因此，拍摄的是一个发光区域所围绕的一个黑暗区域--黑洞。

图：事件视界望远镜（EHT）获得的黑洞与黑洞周围发热物质的照片。图中颜色并非真实颜色，因为射电辐射是无色的，为了可视化，用颜色来代表射电辐射（ETH）

这就如在雪地里拍摄闭着眼睛的黑猫，黑猫不发光，也不反射光。但雪会反射光。拍出的照片，就是一团黑色被白雪围绕，我们依然可以说我么拍摄到了黑猫。被周围发光物质包围的黑洞，就像雪地里的黑猫。

霍金曾经说，寻找黑洞就像在煤矿里寻找黑猫。现在，EHT小组在雪地里找到了黑猫。眼见为实。我们终于看到了宇宙中的黑洞。

4 中国国家航天局嫦娥4号在月球背面软着陆

2019年1月3日，中国国家航天局的嫦娥4号在月球背面的冯·卡门撞击坑软着陆。大约12小时候，嫦娥4号放出“玉兔2号”月球车。

由于月球的遮挡，月球背面的陆地上无法接收信号，为了建立通信，中国航天局先于2018年5月发射了“鹊桥号”卫星，作为中继卫星。鹊桥号位于月球背面上空，距离月球6.5万公里，与月球、地球成一直线，围绕着地月系统的“外拉格朗日点”运动。

由于月球比地球小得多，位于月球背面上方足够远的地方的附近区域可以接收到地球发射的信号。在鹊桥中继星的协助下，嫦娥4号最终在月球背面成功软着陆。

担任月球表面巡查任务的是玉兔二号。它长1.5米，宽约1米，高约1.1米（好大的兔子！），下方六个轮子，旁边两个可折叠太阳能电池板，顶部为通讯天线，身上4台相机。它作息很有规律，太阳照到时工作，太阳没照到时睡眠。

中国科学院的国家天文台、上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室与地球化学研究所的科研人员利用嫦娥4号的光谱仪得到的光谱，断言月球表面的低钙辉石和橄榄石矿物可能起源于月球的幔层，相关成果于2019年5月15日发表于《自然》。

至今为止，嫦娥4号与玉兔2号在月球上已经快度过一周年，功能依然正常。这个成就获得国际上的普遍赞誉。2019年11月25日，英国皇家航空学会将2019年度团队金奖颁发给嫦娥4号团队，这是该协会成立153年来首次将此奖颁发给中国团队。

5 日本航天局隼鸟2号在小行星“龙宫”上采集岩土

地球上挖掘机技术哪家强，这个问题我不用说大家也知道。但如果问小行星上挖掘机技术哪家强，估计大部分人答不上来。答案是：日本的隼鸟2号。在小行星上挖掘泥土的第一步是要先让挖掘机降落到小行星上面，而这恰恰是非常难的，因为小行星的直径远小于地球直径，对探测器的引力也就非常弱，要想精准投放挖掘机，是很难的。

早在2003年，日本日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）就发射了隼鸟2号的前辈隼鸟号。隼鸟号历经磨难，于2005年成功降落在小行星25143上。为了致敬日本火箭之父糸川英夫（Itokawa，糸，同“丝”），这颗小行星后来被命名为“糸川”。隼鸟号下方就是一根采样杆，采样杆戳到小行星表面，就算登陆成功了。因为采样杆内部的子弹无法发射出来，隼鸟号只是取到了“糸川”上几克飞溅的尘土，然后于2010年返回地球，取样成功。

2014年12月3日，JAXA发射隼鸟2号。经过近4年的飞行，隼鸟2号到达小行星“龙宫”（Ryugu）附近。“龙宫”的直径只有大约0.9千米，相比之下，地球直径是1万多千米，前者不到后者的万分之一。当然，当年隼鸟号登陆的“糸川”直径更小，只有大约535米，而且还是弯曲的香蕉形。

2018年10月3日，隼鸟2号向“龙宫”的表面投放了一台“小行星地表探测车”（MASCOT），2019年2月22日，隼鸟2号登陆“龙宫”（Ryugu），采样杆接触到“龙宫”表面后立即发射出直径8毫米、质量5克、速度300米每秒的钽子弹，被击碎的表面岩土碎片飞溅到采样杆内部，被成功收集，然后隼鸟2号立即升空。整个过程只持续几秒。

为了采集到更深层的岩土，隼鸟2号于2019年4月5日朝“龙宫”表面发射14千克的炸弹，炸弹在半空引爆，9.5千克炸药爆炸后将炸弹底部2千克的铜板加速并使其变形为几乎圆球形，使后者成为每秒2千米速度的高速弹丸，撞击龙宫表面，“龙宫”地下岩土因此喷溅出来，形成十几米直径的人造陨石坑。

2019年7月11日，隼鸟2号第二次登陆采集被炸翻出来的岩土，采集了这些深层岩土，并于次日升空。2019年11月13日携带着采集的岩土样本，起飞返回地球，预计于2020年12月回到地球，降落于澳大利亚沙漠地带。

2019年是隼鸟2号大放异彩的年份，比起饱经磨难的隼鸟号，隼鸟2号的旅程是非常顺利的，仅在第一次登陆前有些小麻烦，但很快被处理。隼鸟2号是第一个取出小行星地表下方岩土的探测器，也是第一个在小行星上多次着陆并采集岩土的小行星。研究隼鸟2号采集到的岩土，将有力推动人类对小行星乃至于太阳系的形成与演化的理解。

6 NASA的“新视野”太空船飞掠冥王星外天体“海角天涯”

2019年1月1日，新视野号按照此前预定的时间准时飞掠柯伊伯带小天体KBO 2014 MU69，这个小天体的昵称是“海角天涯”，长的像雪人，但也像人参果，比冥王星更远一些，每295年绕太阳一周。今年冬天，这个天体被正式命名为Arrokoth，意为“天空”。不过，还是“海角天涯”叫起来顺口。

新视野号由NASA负责管理，由约翰霍普金斯大学应用物理实验室与西南研究所联合制造，它的外形像一个大钢琴，长、宽、高分别为2.2米、2.1米与2.7米。新视野号的探测目标是冥王星以及比冥王星更远的其他冰冷天体，这些天体被统称为柯伊伯带天体。2015年7月，跋涉9年多的新视野号太空船飞掠冥王星，拍摄了多张冥王星与其最大卫星卡戎的照片。这个成果在当年轰动一时。2019年元旦飞掠“海角天涯”，使新视野时隔三年多后重新返回大众视野。

图：“新视野”的艺术想象图，图中的大小天体分别是冥王星、冥王星的卫星卡戎（NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究院/Steve Gribben）

对柯伊伯带天体的近距离探测，对于我们理解太阳系演化规律，有重要价值。当这个钢琴一样美丽的探测器飞掠过“海角天涯”时，它自己就是一个海上钢琴师。

7 NASA的帕克号获得日冕与太阳风的一批重要结果

2019年12月5日，《自然》杂志发表了4篇与帕克号太阳探测器探测数据有关的论文，这些论文根据帕克探测到的数据，研究了快太阳风、慢太阳风、日冕粒子环境与光谱线。

耗资15亿美元的“帕克”2018年8月12日发射成功。这个探测器的主要任务是探索日冕与太阳风的奥秘。日冕因为形状像帽子而得名，温度可以达到几百万度。太阳在不断吹出高速带电粒子，这些粒子被称为“太阳风”。

61年前，31岁的尤金·帕克提出太阳风的想法，那时基本上没别人相信他的理论。第二年，太阳风被苏联和美国的航天器观测到。为纪念帕克的巨大贡献，这个探测器被命名为帕克。这是NASA首次以活着的人来命名的航天器，这得多亏帕克教授高寿，去年探测器发射时他已经91岁了。

按照计划，帕克探测器将用6年时间一边环绕太阳，一边靠近太阳。到今年为止，帕克号已经环绕了太阳3圈，最近时距离太阳2400万公里，这个距离已经短到只有水星与太阳距离的一半了。接下来，帕克号将被进一步变轨，让自己更靠近太阳。第4次接近太阳时，距离将缩短为1950万公里。

绕完24圈后，帕克最终到达稳定轨道，帕克与太阳最近时只有大约600万公里。为了应对高温，帕克探测器团队制造出了超级耐高温的材料：当你用喷枪烤其中一面时，另一人将手放在另外一面却不会被烫到。

8 中国国家天文台领衔的团队发现最大质量恒星级黑洞

宇宙中的黑洞多种多样。根据质量大小，可以分为超大质量黑洞、中等质量黑洞与恒星级黑洞。当一颗恒星质量过大时，就会在晚期直接收缩为一个黑洞或者先成为中子星再成为黑洞，这就是恒星级黑洞形成的途径。

最近，中国科学院国家天文台的刘继峰研究员与合作者利用6米级巡天望远镜郭守敬望远镜（英文名为LAMOST）大批量测量恒星光谱，再利用美国夏威夷Keck望远镜、西班牙GTC 获取高分辨率光谱，确认一颗恒星伴随着一个巨大的恒星级黑洞，质量达到了大约70个太阳质量。由于这个黑洞位于双星系统内，因此在成为黑洞前是一个恒星，所以这个黑洞也就是一个恒星级黑洞。

这个恒星级黑洞达到了70个太阳质量，这不仅破了此前同类黑洞的质量极限，也挑战当前的恒星演化理论。根据当前理论，如果一颗恒星的金属相对含量与太阳差不多，它最后即使成为黑洞，质量也不会超过25个太阳质量。但这个黑洞质量的伴星的金属相对含量却又与太阳几乎一样，这意味着它在死亡之前，金属相对含量也与太阳差不多。这就挑战了恒星演化理论。

这个成果还将大大提高人们搜寻银河系内恒星级黑洞的效率。至今为止，银河系内被被确认的恒星级黑洞大约为100颗，而LAMOST团队只需要几年时间就可以再发现100个以上恒星级黑洞。

9 中日合作项目探测到超高能光子，能量达到水滴的动能那么大

在著名的梅西耶星表中，第一个就是M1，它就是蟹状星云。蟹状星云是超新星遗迹，而且中心有一颗中子星。中子星不断不断发射能量，将大量能量倾卸到蟹状星云中，照亮了蟹状星云。在过去一些年，国际上多个小组探测到蟹状星云方向传播过来的高能量光子，最高能量记录是75TeV （1TeV = 1万亿电子伏）。

2019年，中日合作的西藏羊八井ASgamma实验小组宣布，探测到24个能量超过100万亿电子伏（100TeV）的超高能光子，其中能量最高的达到了450万亿电子伏（450TeV）。这24个光子都破了此前探测到的光子的最高能量记录（75TeV），最高能的那个达到此前记录6倍。相关成果于2019年8月发表于物理领域顶尖期刊《物理评论快报》。

这些来自蟹状星云的光子的能量达到了可见光的光子的百万亿倍。1滴水大约0.04克，这些光子中能量最高的光子的能量相当于一滴水从手上18厘米高处滴到手上的动能。一个微观的粒子具有了宏观尺度的能量。这么高的能量是怎么来的？

理论研究认为，蟹状星云内部的强烈冲击波，将电子加速到极端高速，这些高速高能的电子撞击周围的微波背景辐射光子，将后者加速为极端高能光子。这就是这些极端高能光子的最可能起源。

10 丹麦团队在中子星并合后的“灰烬”中确认锶元素

理论研究认为，中子星与中子星并合或者黑洞与中子星并合后，甩出的一些高速运动的中子星碎片会迅速解压，并形成大量重元素，其中就包括这些年经常在媒体上被提及到的稀土元素、核电站需要的铀、以及金银等贵重金属。

理论还认为，中子星碎片里产生的众多重元素中具有放射性的元素会通过裂变、衰变等过程释放出巨大能量，将碎片自身加热，使其发出强烈光芒，类似于超新星爆发。这样的现象被称为“千新星”。千新星就像这类并合事件之后的灰烬。

人类第一次明确探测到千新星，是在2017年。那一年的8月17日，引力波探测器LIGO探测到一对中子星并合后发出的引力波。仅过了大约11小时，地面上的几台望远镜就探测到中子星并合后的碎片形成的千新星，首次证实了千新星的理论。这颗千新星被命名为SSS17a或AT2017gfo。伽玛射线卫星、X射线卫星、射电望远镜分别探测到这对中子星并合发出的伽玛射线、X射线、与射电辐射。

2019年10月24日，丹麦哥本哈根大学的Darach Watson领衔的一个小组在《自然》发表论文，论文宣布：他们利用光谱分析方法分析了千新星AT2017gfo的光谱，从中确认出锶元素。他们所用的光谱是欧洲南方天文台（ESO）的8.2米口径的甚大望远镜（VLT）上的光谱仪（X-shooter）获得的。

这是首次在千新星内部发现具体的元素，因此这个成果对于我们理解宇宙中重元素的形成机制有重要推动作用。此前人们已经确认了氢元素、中等质量元素的起源；但大部分重元素的起源这个问题，一直悬而未决。

首次在千新星中探测到一种具体的元素，意味着人们终于可以确定：千新星的确会合成重元素。虽然人们预言千新星中还富含黄金白银等元素，但事实上到现在还未确认出来，反倒是看似默默无闻的锶被首先确认出来了。

锶与我们的生活并不遥远，人体任何器官都含有锶，特别是骨骼与牙齿，我们经常喝的矿泉水中就有锶元素，如果人体内缺乏足够的锶，就会引发骨质有关的疾病。金银是身外之物，哪有锶重要？

11 中国科学家发现双中子星并合后形成大质量中子星的可能证据

2019年4月11日，中国科学技术大学天文系薛永泉教授领衔的一项研究发表于《自然》，这项研究首次发现双中子星并合形成磁星的证据。薛永泉教授为论文第一作者兼通讯作者，其研究生郑学琛与美国内华达大学张冰教授为共同通讯作者，紫金山天文台吴雪峰研究员与当时在北京大学的李晔为论文主要作者。

这项研究用到了NASA耗资30多亿美元的钱德拉X射线天文台。薛永泉教授长期使用钱德拉望远镜进行X射线天文学的研究，被钱德拉官网认定为钱德拉深场项目的重要参与者。

这次，薛永泉教授团队在其申请到的700万秒钱德拉南天深场（7Ms CDF-S）拍下的图像中发现了一个持续了大约7小时的特殊X射线爆发，它被命名为CDF-SXT2，简称XT2。根据计算，这个源距离地球大约66亿光年。

根据这个X射线源的演化特征、其在星系中的位置以及对此类时间爆发率的计算，研究小组认为这些辐射很可能原子大质量磁星的辐射，而这个大质量磁星来自两个中子星并合。

磁星也是中子星，但其磁场远超过普通的中子星。这个结果表明：有一部分中子星在并合之后依然会是中子星，只是质量会比并合之前大。

此前，南京大学天文学院戴子高教授于2006年在理论上预测了这种可能性。XT2的发现证实了这个可能性。这个结果可以限制中子星的一些重要性质。

12 美国引力波探测器LIGO首次发现可能的中子星与黑洞并合事件

由加州理工学院与麻省理工学院主导、多个国家与地区科学家参与的“激光引力波天文台”（LIGO）在过去几年大放异彩。2015年9月14日，LIGO探测到两个黑洞并合所发出的引力波，这是人类首次直接探测到引力波。LIGO小组的三位还在世的领袖人物因此获得了2016年的诺贝尔物理学奖。2017年8月17日，LIGO探测到两颗中子星并合所发出的引力波。一个很自然的期望就是：探测到中子星与黑洞并合的引力波。

2019年8月14日，LIGO探测到疑似的中子星与黑洞并合的引力波。尽管很多媒体宣布LIGO已经探测到中子星与黑洞并合的引力波，但事实上并没有这么确定。根据这次探测，LIGO组推断出这是一个质量超过5个太阳与一个质量低于3个太阳的天体的并合。根据分析，这次引力波事件有99%以上的概率是中子星与黑洞并合事件。

为什么不能百分之百确定那是一颗中子星与黑洞并合的事件呢？这是因为：质量超过5个太阳的致密天体显然是一个黑洞，但质量低于3个太阳的天体却未必是中子星。中子星的极限质量至今还未被确定，可能在3个太阳质量左右。一个天体在3个太阳质量以下，也有可能是黑洞，所以这次并合事件依然有可能是双黑洞并合。因此，这次疑似的中子星与黑洞并合事件没有掀起大风浪。不过，既然有这么大的概率，还是值得一提的。

结语

2019年过去了，我很怀念它。

文章作者

王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表15篇Sci论文。业余也研究天文学史与物理学史。

本文经授权转载自微信公众号“蔻享学术”。

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