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暗物质

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概述编辑本段回目录

(图)暗物质暗物质

暗物质(Dark matter),既看不见又不发出辐射的物质,占宇宙的90%。它们不可见,但通过它们对星系和银河星团的引力作用结果,可以推断它们确实存在。

宇宙学中,暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射物质。人们目前只能通过引力产生的效应,得知宇宙中有大量暗物质的存在。

暗物质存在的最早证据,来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明:我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4%,暗物质占了宇宙的23%。还有73%,是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在,可以解决大爆炸理论中的不自洽性,对结构形成也非常关键。

暗物质很有可能是一种(或几种)粒子物理标准模型以外的新粒子。对暗物质和暗能量的研究,是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。

性质及存在证据编辑本段回目录

性质

Macho计划中的微引力透镜的光度曲线、哈勃光分辨率的照片,也是和Macho计划中的暗物质的第一次“交锋”。国际著名的《自然》杂志为这些天文学家们记下了一笔。

和VLT使得天文学家研究这个Macho变成可能:它的质量,它与我们之间的距离,还有它的速度。这个结果,强有力的支持了认为银河系内和周边地区的大部分“平常”的暗物质,是以Macho形式存在的这一论题。因此,暗物质实际上并没有我们想象得那么暗。在以后对Macho的研究中,可能会描绘下这一类暗物质,也会解释在星系形成的过程中,他们所扮演的角色。

存在证据

虽然暗物质在宇宙中大量存在,是一个普遍承认的看法,但是,科学家们发现,漩涡星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释。也就是说,这个星系没有暗物质或者暗物质很少。

最早提出证据并推断暗物质存在的科学家,是美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基

2006年,美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测,无意间观测到星系碰撞的过程,星系团碰撞威力之猛,使得黑暗物质与正常物质分开,因此,发现了暗物质存在的直接证据。[1]

据英国新科学家杂志报道,在美国明尼苏达州北部一个废弃铁矿中,科学家目前发现暗物质存在的最直接证据。

暗物质存在的证明暗物质存在的证明

     暗物质被科学家们认为占宇宙质量的90%。目前,“低温暗物质搜寻小组(CDMS)”宣称,他们的最新实验现已探测到暗物质存在的最新迹象。这项“CDMS-II”实验,是在索丹铁矿地下750米深处进行的。科学家的目标,是寻找“微弱交互超重粒子(WIMPs)”。该粒子被认为是构成暗物质的主要成分。

  据悉,研究小组进行的实验由五组探测器构成,每组探测器包含着6个处于零下233摄氏度超纯度锗或硅晶体。这些晶体是用于当粒子碰撞锗或硅晶体核释放能量时,探测是否存在暗物质粒子。因此,该实验在进行过程中需要仔细地将“背景干扰”进行屏蔽。

  目前,研究小组并未完全声称发现暗物质。这是由于这项研究,并未呈现统计数据上十分明显的结果。他们表示,研究结果还是受到背景噪音干扰25%的概率。他们现在计划,在未来几个月里,进一步提炼研究数据,此外,他们还购买配置了新型探测器。其精确性是现有仪器的3倍。预计这种“超级低温暗物质搜寻仪器”,将于2010年6月左右配置完成。

  这项研究为暗物质研究领域带来了希望。此前,PAMELA等太空望远镜曾观测到来自银河系湮灭暗物质的微粒。类似的观测结果还在ATIC气球实验中发现过。不久,大型强子对撞机将启动,在碰撞质子的实验中有望形成暗物质。英国谢菲尔德大学丹-托维(Dan Tovey)是大型强子对接机ATLAS探测器工作人员。他指出,虽然低温暗物质搜寻仪器并未探测到大量暗物质的存在,但该研究对于大型强子对撞机是一则惊喜的消息。即使低温暗物质搜寻仪器直接探测到暗物质的存在,大型强子对撞机也需要进一步理解暗物质形成的基本原理。比如:预示暗物质的超对称性理论,将是大型强子对撞机的研究目标之一。(卡麦拉)

组成及理论模型编辑本段回目录

(图)暗物质暗物质的光谱

星系转动曲线、引力透镜、结构形成、星系团中重子成分和结合星系团丰度与重子密度证据表明了宇宙中85-90%的质量不带有电磁相互作用。这些暗物质只通过引力作用而显现它们的存在。以下是人们提出的一些不同类型的暗物质: 
1)热暗物质
2)温暗物质
3)冷暗物质
4)重子暗物质

暗物质是些什么物质呢? 

宇宙学研究发现,在宇宙大爆炸初期产生的各种基本粒子中,有一种叫做“中微子的粒子”不参与形成物质的核反应,也不与任何物质作用,它们一直散布在太空中,是暗物质的主要“嫌疑人”。但中微子在1931年被提出来以后,一直被认为质量为零。这样,即使太空是中微子的海洋,也不会形成质量和引力。

曾有人设想存在一种“类中微子”,它的性质与中微子类似,但有质量。可是一直没有发现“类中微子”的存在。极小的中微子运动速度极高,可自由穿透任何物质,甚至整个地球,很难被捕找到。但中微子与物质原子亚原子粒子碰撞时,会使他们撕裂而发出闪光,探测到这种效应就是探到了中微子。但为了避免地面上的各种因素的干扰,必须把探测装置(如带测量仪器并装有数千吨水的水箱)放在很深(如1000米)的地下。

理论模型编辑本段回目录

在众多可能是组成暗物质的成分中,最热门的要属一种被称为“大质量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP)”的新粒子了。这种粒子与普通物质的作用非常微弱,以致于他们虽然存在于我们周围,却从来没有被探测到过。还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题,被称为轴子(Axion)的新粒子,也很有可能是暗物质的成分之一。 惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是组成暗物质的一种成分。

模型问题 编辑本段回目录

由于综合了CCDM,标准模型在数学上是特殊的,尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定,但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。现在,能观测到的最大尺度是CMB(上千个Mpc)。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布,同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布,从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上,理论和观测符合的很好,这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。
  
然而在小一些的尺度上,从1Mpc到星系的尺度(Kpc),就出现了不一致。几年前,这种不一致性就显现出来了,而且它的出现直接导致了“现行的理论是否正确”,这一至关重要的问题的提出。
在很大程度上,理论工作者相信,不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的,而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先,对于大尺度结构,引力是占主导的。因此,所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。
在小一些的尺度上,高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次,在大尺度上的涨落是微小的,而且,我们有精确的方法,可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上,普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比,因此,应该能观测到许多的矮星系,以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应。但是,目前的观测结果,并没有证实这一点。而且,那些环绕银河系或者其他星系的暗物质,当它们合并入星系之后,会使原先较薄的星系盘,变得比现在观测到得更厚。
  
暗物质晕的密度分布,应该在核区出现陡增。也就是说,随着到中心距离的减小,其密度应该急剧升高。但是,这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的,星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。
普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了,同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系,例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系,则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘,其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构,如果这一结构是稳定的,就要求其核心的密度要小于预期的值。
  
可以想象,解决这些日益增多的问题,将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来,用以解释先前提到的结构缺失现象。但是,总体上看,现在的观测证据显示,从巨型的星系团(质量大于1015个太阳质量)到最小的矮星系(质量小于109个太阳质量)都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。
  
茫茫宇宙中,恒星间相互作用,做着各种各样的规则的轨道运动,而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此,人们设想,在宇宙中也许存着我们看不见的物质。
  
现已知道,宇宙的大结构呈泡沫状,星系聚集成“星系长城”,即泡沫的连接纤维,而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”,即大泡泡,直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”,这么大的空洞是不能维持的,就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。
  
我们的宇宙尽管在膨胀,但高速运动中的个星系并不散开,如果仅有可见物质,它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。
  
我们知道,太阳系的质量,99.86%集中在太阳系的中心即太阳上。因此,离太阳近的行星受到太阳的引力,比离太阳远的行星大。因此,离太阳近的行星绕太阳运行的速度,比离太阳远的行星快,以便产生更大的离心加速度(离心力),来平衡较大的太阳引力。但在星系中心,虽然也集中了更多的恒星,还有黑洞。可是,离星系中心近的恒星的运动速度,并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明,星系的质量并不集中在星系中心,在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。
  
天体的亮度反应天体的质量。所以,天文学家常常用星系的亮度,来推算星系的质量,也可通过引力来推算星系的质量。可是,从引力推算出的银河系的质量,是从亮度推算的银河系质量的十倍以上;在外围区域,甚至达五千倍。因而,在那里必然有大量暗物质存在。
  
20世纪30年代,荷兰天体物理学家奥尔特指出:为了说明恒星的运动,需要假定在太阳附近存在着暗物质;同年代,茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中,也认为,在星系团中存在着大量的暗物质;美国天文学家巴柯的理论分析也表明,在太阳附近,存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。
  
那么,太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢?天文学家认为,它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星,或质量为木行星30~80倍的大行星。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上,已发现了暗于14星等,不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近,从探测到的M型矮星的数目可推算出,它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光,有几万年。所以人们认为,银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”,足以提供理论计算所需的全部暗物质。
  
观测结果和理论分析均表明,漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。那么,暗晕中含有哪些看不见的物质呢?英国天文学家里斯认为,可能有三种候选者:第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星;第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞;第三种是奇异粒子,如质量可能为20~49电子伏且与电子有联系的中微子,质量为105电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。
  
欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为,星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者,是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为:每个已知粒子的基本粒子(如光子)必定存在着与其配对的粒子(如具有一定质量的光微子)。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者:光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为,这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。
  
到现在,已有不少天文学家认为,宇宙中90%以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜,还待于人们去进一步探索。
     
天文学家们称,根据当前一些统计资料显示,我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%。
  
在本次这项研究中,科学家们借助强功率天文望远镜(包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope)对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究。此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称:在他们所观测的这些矮星系中,暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外,这些矮星系中物质 粒子的运动速度可达每秒9公里,其温度可达10000℃。
  
同时科学家们还观测到,暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异,如:尽管观测目标的温度是如此之高,但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为,暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而,在此之前科学家们曾一贯认为,暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的,这些粒子的运动速度也不会太高。
  
暗物质研究专家们还表示,宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年。这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度。譬如,在地球上每立方厘米的空间,如果能够容纳1023个物质粒子,那么对于暗物质来说,这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。
  
早在30年代,瑞士科学家弗里兹-茨维基就设想,宇宙间存在着某种不为人所知的暗物质。他还指出,星系群中的发光物质,如果只依靠自身的引力,将各个星系保持联接在一起,那么,它们的量就必须要再增加10倍。而用来弥补这个空缺的就是看不见的重力物质,即我们今天所说的暗物质。尽管暗物质在宇宙间的储藏量,比其它普通物质高出许多,但有关暗物质的性质,目前科学家们尚不能给予完整的表述。
  
2007年1月,暗物质分布图终于诞生了。经过4年的努力,70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”,勾勒出相当于从地球上看,8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。他们使出了什么好手段化隐形为有形的呢?那可全亏了一项了不起的技术:引力透镜。
  
更妙的是,这张分布图带给我们的信息。首先我们看到,暗物质并不是无所不在,它们只在某些地方聚集成团状,而对另一些地方却不屑一顾。其次,将星系的图片与之重叠,我们看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方,就有恒星和星系,没有暗物质的地方,就什么都没有。暗物质似乎相当于一个隐形的、但必不可少的背景,星系(包括银河系)在其中移动。分布图还为我们提供了一次真正的时光旅行的机会……分布图中越远的地方,离我们也越远。不过,背景中恒星所发出的光,不是我们瞬间就能看到的,即使光速(每秒30万公里)堪称极致,那也需要一定的时间。因为这段距离得用光年来计算,1光年相当于10万亿公里。
  
因此,如果你往远处看,比如距离我们20亿光年的地方,那你所看到的东西是20亿年前的样子,而不是现在的样子。就好像是回到了过去!明白了吗?好,现在回到分布图上,我们看到的是暗物质在25亿~75亿年前的样子。
  
那么在这个异常遥远的年代,暗物质看上去是什么样子的呢?好像一碗面糊。而离我们越近,暗物质就越是聚集在一起,像一个个的面包丁。这张神奇的分布图显示,暗物质的形态随着时间而发生着变化。更重要的是,这一分布图为我们了解暗物质的现状提供了一条线索。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作,他认为,这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变。所以,我们看到的也就是暗物质现在的形状。
  
那我们也在其中吗?把所有的数据综合起来,再加上研究人员们的推测,就可以在这锅宇宙浓汤中找到我们自己的历史。是的,是的……你可以把初生的宇宙设想成一个盛汤的大碗,汤里含有暗物质和普通物质……在这个碗里出现了两种相抗的现象:一方面是膨胀,试图把碗撑大;另一方面是引力,促使物质凝聚成块。结果,宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质,而它们在另外一些地方却异常密集:暗物质聚集在一起,星系则挂靠在暗物质上,就像挂在钩子上的画。但可惜的是,我们对暗物质究竟是什么还是一无所知……

谜团编辑本段回目录

暗物质,是天体物理领域中一个不解的谜团。对星系团和大尺度的观测表明:也许,宇宙中不过1/4的物质是我们平时所见到的原子和分子组成的。而在这些物质内,只有1/4的物质能够放出我们能够觉察到的辐射。所以,宇宙的大部分对我们来说是暗的,我们同样也不了解它的组成。

在过去的十年中,为了寻找暗物质的候选人,人们花费了不少的力气。一个可能就是,暗物质是由弱相互作用大质量亚粒子组成的,也就是平时所说的WIMP。另外一种可能就是,暗物质是由晕族大质量致密天体(Macho)组成的,例如已经死亡或者正在死亡的恒星(中子星或者冷的矮星)。各种黑洞和行星大小的石块、冰。

发现者 编辑本段回目录

1915年,爱因斯坦根据他的相对论得出推论:宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为,宇宙是有限封闭的。如果是这样,宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是,迄今可观测到的宇宙的密度,却比这个值小100倍。也就是说,宇宙中的大多数物质“失踪”了,科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”   

一些星体演化到一定阶段,温度降得很低,已经不能再输出任何可以观测的电磁信号,不可能被直接观测到,这样的星体就会表现为暗物质这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。   

还有另一类暗物质,它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质,不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

踪迹 编辑本段回目录

暗物质暗物质
暗物质是相对可见物质来说的。所谓可见物质,除发射可见光的物质外,还包括辐射红外线等其他电磁波的物质。虽然宇宙中的可见物质大部分不能用肉眼直接看到,但探测它们发出的各种电磁波就可以知道它们的存在。暗物质不辐射电磁波,但有质量。   

科学家为什么会提出“暗物质”这个概念?宇宙中有没有暗物质?   

在物理学中,把状态变化的“转折点”成为“临界点”,比如水变成冰,温度临界值(或者说“临界点”)为0℃。宇宙学的研究认为,宇宙中物质的平均密度,与决定宇宙是膨胀还是收缩的临界值,相差不会超过百万分之一。可是,宇宙中发可见光的恒星和星系的物质总量不到临界值的1%,加上辐射其他电磁波的天体,如行星、白矮星和黑洞等,最多也只有临界值的10%。   

宇宙的大结构呈泡沫状,星系聚集成“星系长城”,即泡沫的连接纤维,而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”,即大泡泡,直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”,这么大的空洞是不能维持的,就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。    

太阳系的质量,99.86%集中在太阳系的中心即太阳上,因此,离太阳近的行星受到太阳的引力,比离太阳远的行星大,因此,离太阳近的行星绕太阳运行的速度,比离太阳远的行星快,以便产生更大的离心加速度(离心力)来平衡较大的太阳引力。但在星系中心,虽然也集中了更多的恒星,还有质量巨大的黑洞,可是,离星系中心近的恒星的运动速度,并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心,在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。   

天体的亮度反应天体的质量。所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量,也可通过引力来推算星系的质量。可是,从引力推算出的银河系的质量,是从亮度推算的银河系质量的十倍以上,在外围区域甚至达五千倍。因而,在那里必然有大量暗物质存在。

最新理论 编辑本段回目录

单位空间(即无限分子一体积)内产生物质的概率是二分子一,产生的物质叫“虚子”。为什么叫“虚子”呢?因为它的寿命只有无限分之一。虚子的运动速度为C(光速)。“超弦子”定义:相对于“虚子”的“实子”叫“超弦子”,超弦子的寿命可以达到无限。怎样才能产生超弦子呢?相邻任意个单位体积同时产生“虚子”,才能产生形状固定的超弦子。各个虚子的速度方向是不同的,所以超弦子一产生就有自旋!产生的超弦子如果遇到其他超弦子,会由三种情况:1,互相撞碎,同归于尽,消失。(注:只有同时存在才能永远存在,超弦子被撞掉一点,整个就会消失)2,由于万有引力和其他超弦子结合。同时改变速度和自旋!3,不是有效撞击,相碰后“各奔前程”,改变自旋与速度!请注意:产生的各种各样的超弦子像被烧过的砖一样,是一个整体,本身形状已经不能改变。一维的超弦子不能存在,二维同理,所以超弦子是三维的。关于超弦子的质量:N个单位体积产生的超弦子的基础质量为2的N次方。根据超弦子的对称性大小,会增加额外的质量。质量越大,强度越大。不同的质量对应不同的极限速度。(注:2的N次方只是一个随便的指数,具体指数大小得由数学家去计算)。黑洞就是由质量巨大的超弦子形成的。物质掉进黑洞的速度是可以超光速的。现在说明什么是暗物质和亮物质:超对称的超弦子(即球状的超弦子)叫亮物质,其他形状的超弦子叫暗物质。暗物质的两个特点:1,不带电荷。2,透明(即光子可以通过)。因为暗物质形状不规则,所以形成暗物质的概率比形成亮物质的概率大得多,所以暗物质比亮物质多得多。

探测编辑本段回目录

暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域,是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说,物理学家可能通过放置在地下实验室,背景信号减少到极低的探测器直接探测WIMP,也可以通过地面或太空望远镜,对这种粒子在星系中心,太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子,来间接探测大质量弱相互作用粒子。人们也希望通过欧洲大型强子对撞器,或者未来的国际直线加速器,人工创造出这些新粒子来。
 

对地球影响编辑本段回目录

意大利物理学家洛伦佐·约里奥日前宣称,地球运行轨道的变化很可能是由隐藏在银河系中的暗物质造成的。
 
根据现代流行的观点,在银河系内部和周围存在着一个由暗物质组成的环形结构。在太阳系围绕银河系中心运行的过程中,其会从上述暗物质环中吸收部分物质,这样一来,这些暗物质便会对银河系中天体的运行轨道产生影响。
 
洛伦佐·约里奥指出,在这些暗物质的作用下,地球的椭圆形运行轨道会被逐渐拉长--轨道的长轴每年会以7厘米的速度增加。而与此同时,地球运行轨道的短轴则会逐渐变短。总体而言,在这一作用的影响下,地球与太阳的平均距离会逐渐变小。 [2]


参考资料
[1].  Clowe D, Bradac M; Gonzalez A H et al(2009年11月15日).A direct empirical proof of the existence of dark matter(PDF).Astrophys J Lett(648):L109-L113.
[2].  暗物质影响地球与太阳距离正在逐渐缩短   http://tech.qq.com/a/20100118/000087.htm

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