南極牆(宇宙長城)
·描述:隱藏在暗處的宇宙巨牆
·身份:一個巨大的宇宙纖維狀結構,跨度超過14億光年,是離銀河係最近的大型宇宙結構之一
·關鍵事實:它之前一直未被發現,因為大部分結構位於銀河係盤麵塵埃帶隱匿帶)的後麵,需要通過星係光譜的紅移數據來重構其三維圖像。
南極牆:藏在銀河陰影裡的宇宙巨幕第一篇)
深夜十點的北京郊區,我抱著熱可可站在樓頂,望遠鏡的尋星鏡對準冬季大三角。獵戶座的腰帶三星剛升上地平線,參宿四的橙紅色光芒穿過稀薄的大氣層,在視場裡暈開一小團暖霧。當我將焦距拉遠,銀河的輪廓終於從黑暗中浮現——那是一條橫跨天際的乳白色光帶,像撒在天幕上的碎鑽被無形的手揉成了一條河。可當我試圖追蹤這條“河”的源頭,卻發現它的南端逐漸變淡,最終淹沒在南天的黑暗裡。天文app提示,那裡是銀河係的“隱匿帶”zoneofavoidance),一片被銀河係自身結構遮擋的禁區。
那片黑暗裡藏著什麼?是更多的恒星?還是某種我們從未想象過的宇宙結構?直到2020年,一組天文學家用星係光譜的紅移數據撕開了這片黑暗的麵紗,一個被稱為“南極牆”soutea)的宇宙巨物,終於從銀河的陰影裡走了出來。它跨度超過14億光年,是我們鄰近宇宙中最大的纖維狀結構之一,卻因為藏身於銀河係的塵埃與恒星背後,整整避開了人類數百年的觀測。
一、當我們談論宇宙時,我們在看什麼?——從星係到宇宙網的認知革命
要理解南極牆的本質,我們得先回到宇宙的“尺度遊戲”。人類對宇宙的認知,始終在“放大”與“重構”中循環:17世紀伽利略用望遠鏡看到月球環形山時,以為宇宙是“放大版的地球”;19世紀赫歇爾繪製銀河係星圖,誤以為銀河就是整個宇宙;20世紀初哈勃發現仙女座星係不是銀河內的“星雲”,才意識到宇宙是由無數星係組成的“海洋”;而到了20世紀末,當巡天望遠鏡拍下數十億個星係的分布,天文學家驚覺這些星係並非隨機散落——它們像被無形的絲線牽引著,織成一張覆蓋整個可觀測宇宙的“宇宙網”siceb)。
這張網的節點是星係團gaaxycuster)和超星係團supercuster):比如我們所在的本超星係團ocasupercuster),包含了銀河係、仙女座星係以及約100個其他星係團;而網的“纖維”則是連接這些節點的細長結構,由暗物質和氣體組成,長度可達數億甚至數十億光年;纖維之間是幾乎空無一物的空洞void),直徑能達到上億光年,像宇宙網中的“氣泡”。
但這張網的“繪製”遠非易事。直到20世紀70年代,天文學家才開始係統研究星係的空間分布。當時,美國天文學家瑪格麗特·蓋勒argaretgeer)和約翰·修茲勞johnhuchra)用哈佛史密森天體物理中心cfa)的紅移巡天數據,首次畫出了二維星係分布圖——他們發現,星係並非均勻分布,而是呈現出“長城”般的纖維結構,比如跨度達5億光年的“cfa2長城”後更名為“斯隆長城”的前身)。這一發現徹底顛覆了人類對宇宙結構的認知:宇宙不是“均勻的湯”,而是充滿褶皺與纖維的複雜網絡。
但蓋勒和修茲勞的工作有個致命局限:他們的觀測集中在北天球,且受限於當時的光譜技術,無法穿透銀河係的“隱匿帶”。那片區域占據了天球的13,位於銀河係銀盤的上下方——銀盤是銀河係的主體,包含了絕大多數的恒星、氣體和塵埃。塵埃是由碳、矽等重元素組成的微小顆粒,直徑僅0.1微米左右,卻像煙霧一樣散射和吸收可見光。當我們從地球看向南天極方向,視線必須穿過銀盤最密集的塵埃區,那裡的消光係數extinction)可以達到每千秒差距10個星等——意味著原本亮度為1等的恒星,穿過塵埃後會暗到20等以下,完全超出人類肉眼和普通望遠鏡的探測極限。
於是,南天的隱匿帶成了宇宙學的“盲區”。天文學家知道那裡有東西,卻無法看清——直到紅移技術的出現,給了我們一把“穿透黑暗的鑰匙”。
二、紅移:宇宙的“距離標尺”與三維宇宙地圖的誕生
什麼是紅移?簡單來說,就是電磁波比如星光)的波長因光源與觀察者的相對運動而變長的現象。1929年,埃德溫·哈勃edine)發現,幾乎所有星係的光譜都有紅移,且紅移量與星係距離成正比——這就是著名的“哈勃定律”esa),公式為v=h?d,其中v是星係遠離我們的速度,d是距離,h?是哈勃常數。
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但紅移的意義遠不止於此。對於遙遠星係來說,紅移主要來自宇宙學紅移soogicaredshift):宇宙本身在膨脹,導致星係之間的距離不斷增大,星光被“拉長”了波長。通過測量紅移值zz=Δλλ?,Δλ是波長變化量,λ?是原波長),我們可以用宇宙學模型計算出星係的距離——這就是“紅移距離”。
正是這個工具,讓我們能突破可見光的限製,繪製出三維的宇宙地圖。2000年啟動的斯隆數字巡天soandigitaskysurvey,sdss)是這一領域的裡程碑。它用位於新墨西哥州阿帕奇波因特天文台的一台2.5米望遠鏡,對北天球的大片區域進行了地毯式掃描:不僅拍攝了星係的光學圖像,還對每個星係進行了光譜觀測,獲取了它們的紅移值。到2010年,sdss已經測量了超過100萬個星係的紅移,構建了當時最精確的宇宙三維地圖。
但南天的隱匿帶依然是空白。因為sdss的觀測範圍主要集中在北緯30度以上的區域,南天的銀盤塵埃帶幾乎沒有被覆蓋。直到2012年,sdss的後續項目ebossextendedbaryonosciationspectrospicsurvey)啟動,它將觀測範圍擴展到了南天,並且使用了更高效的光譜儀,能在更短時間內測量更多星係的紅移。與此同時,歐洲的蓋亞衛星gaia)也在同期發射,它通過天體測量學測量恒星的位置、距離和運動)繪製了銀河係的三維結構,為我們提供了銀盤塵埃帶的精確模型——我們可以用蓋亞的數據“減去”銀河係自身的乾擾,還原出隱匿帶後麵的星係分布。
三、撕開銀河的陰影:南極牆的發現之旅
2015年,法國巴黎薩克雷大學universiteparissacay)的宇宙學家丹尼爾·波馬雷德daniepoarede)和他的團隊,決定利用sdss、eboss和蓋亞的數據,做一個“大膽的嘗試”:繪製南天天球隱匿帶後麵的宇宙結構。
他們的第一步是“清理”數據。首先,他們用蓋亞衛星的星際消光模型,計算出每個觀測方向的塵埃消光量,然後將星係的視亮度修正為“真實亮度”——就像給被煙霧籠罩的物體擦去灰塵,讓它們露出本來麵目。接著,他們篩選出南天天空中紅移值在0.01到0.1之間的星係——這個範圍對應距離我們1.3億到13億光年的星係,正好覆蓋了本超星係團及其周圍的區域。
接下來是最關鍵的一步:識彆隱藏的星係。由於銀盤塵埃的遮擋,這些星係在光學圖像中非常暗弱,甚至無法被sdss直接探測到。但波馬雷德的團隊想到了一個辦法:他們用“光度函數”uinosityfunction)來預測某個區域應該存在多少星係——根據宇宙學的統計,宇宙中星係的亮度分布是已知的比如,大部分星係是低亮度的矮星係,少數是高亮度的橢圓星係)。如果某個區域的“預期星係數量”遠大於“觀測到的星係數量”,說明那裡有很多被塵埃遮擋的星係。
通過這種方法,他們找到了數千個“缺失的星係”——這些星係位於南天天球的隱匿帶後麵,雖然光學圖像上看不到,但通過光度函數的預測,它們的存在是確定的。接下來,團隊用這些星係的紅移值,計算出它們的三維坐標,然後將這些點輸入計算機,生成了一張三維宇宙地圖。
當這張地圖出現在屏幕上時,所有人都驚呆了:在南天的天空中,有一條巨大的“纖維狀結構”從銀盤下方延伸出來,跨度超過14億光年,形狀像一道橫亙在南天的“牆”——它的南端接近南天極,北端則延伸到銀盤的邊緣,幾乎覆蓋了整個南天的隱匿帶。
波馬雷德將這個結構命名為“南極牆”soutea),因為它位於南天極附近,且形狀像牆一樣連綿不絕。為了驗證這個發現的正確性,團隊做了多次交叉驗證:他們用不同的光度函數模型重新計算,結果一致;他們用射電望遠鏡的數據射電波能穿透塵埃)觀測了南極牆中的部分星係,確認了它們的存在;他們還將這個結構與Λcd模型的預測對比,發現它的質量、大小和位置都符合模型的預期。
四、南極牆的“真麵目”:14億光年的宇宙纖維
那麼,南極牆到底是什麼?用宇宙學的術語來說,它是一個巨引源纖維結構giantattractorfiaent),屬於宇宙網的“纖維”部分。它的基本特征可以概括為以下幾點:
1.規模:14億光年的宇宙巨物
南極牆的跨度達到了14億光年約1.3x102?米),相當於銀河係直徑約10萬光年)的1400倍。如果把銀河係比作一顆乒乓球,南極牆就是一個直徑140公裡的巨大球體——這足以容納數百萬個銀河係。更驚人的是,它的質量:根據暗物質暈的分布計算,南極牆的總質量約為101?太陽質量1太陽質量≈2x103?千克),其中暗物質占了約85,剩下的15是可見的星係、氣體和塵埃。
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2.位置:銀河係的“後院”
南極牆距離我們並不遠——它的“重心”距離地球約5億光年,是離銀河係最近的大型宇宙結構之一。相比之下,著名的“斯隆長城”soangreata)距離我們約10億光年,跨度也隻有13.7億光年,幾乎和南極牆一樣大,但遠不如它近。這種“鄰近性”讓南極牆成為研究宇宙大尺度結構的絕佳樣本——就像研究一棵樹的生長,近處的枝椏比遠處的更容易觀察細節。
3.結構:纖維狀的宇宙通道
南極牆的形狀像一根被拉長的纖維,主要由三個部分組成:
核心部分:位於南天極附近,包含多個星係團,比如“南極星係團”soutecuster)和“天燕座星係團”apuscuster),這些星係團的中心有巨大的橢圓星係,質量可達1013太陽質量;
延伸部分:向西北方向延伸,穿過銀河係的隱匿帶,連接到本超星係團的邊緣;
末端部分:向南天極方向逐漸變細,最終消失在宇宙的深處。
這些纖維結構並非靜止不動——它們像宇宙中的“河流”,裡麵的星係正沿著纖維的方向運動。根據波馬雷德團隊的觀測,南極牆中的星係正在以每秒數百公裡的速度向核心部分聚集,這是引力作用的結果:暗物質的引力將星係吸引到纖維的高密度區域,就像水被吸進水管一樣。
4.隱藏的原因:銀河係的“自我遮擋”
南極牆之所以長期未被發現,根本原因在於銀河係自身的結構。我們生活在銀河係內部,就像住在一棟大樓裡,很難看到大樓外的全貌。銀盤的塵埃帶不僅遮擋了可見光,還乾擾了射電和紅外觀測——雖然射電波能穿透塵埃,但早期射電望遠鏡的靈敏度不夠,無法探測到遙遠星係的信號。直到sdss和eboss這樣的光譜巡天項目,用紅移數據“繞過”了塵埃的遮擋,我們才得以看到南極牆的真麵目。
五、宇宙學的“拚圖”:南極牆的意義
南極牆的發現,不僅僅是一個“找到新天體”的故事,它對我們理解宇宙的本質有著深遠的影響。模型:宇宙結構的形成機製模型aatterode)是目前宇宙學的標準模型,它認為宇宙由68的暗能量、27的暗物質和5的普通物質組成。暗物質的引力是宇宙結構形成的驅動力——從小尺度的密度漲落比如宇宙微波背景輻射中的微小溫度差異)開始,暗物質逐漸坍縮形成暗物質暈,然後普通物質被吸引到暈中,形成星係、星係團和纖維結構。模型的預測。它的纖維狀結構正是暗物質引力作用的結果,而它的質量分布也與模型的計算一致。正如波馬雷德所說:“南極牆就像宇宙學的‘化石’,它記錄了暗物質如何在宇宙早期坍縮,形成了我們今天看到的結構。”
2.理解本地群的運動:銀河係的“引力夥伴”
我們的銀河係屬於“本星係群”ocagroup),包含銀河係、仙女座星係31)、三角座星係33)以及約50個矮星係。本星係群又屬於“本超星係團”ocasupercuster),而南極牆正好位於本超星係團的邊緣。
通過觀測南極牆中星係的運動,天文學家發現,南極牆的引力正在影響本星係群的運動。比如,仙女座星係正以每秒110公裡的速度向銀河係靠近,除了兩個星係之間的引力,南極牆的引力也起到了推波助瀾的作用。未來,當銀河係與仙女座星係合並成一個更大的橢圓星係後,這個新星係可能會被南極牆的引力捕獲,成為它的一部分。
3.探索宇宙的未來:大尺度結構的演化
南極牆的演化曆史,也讓我們看到了宇宙的未來。隨著宇宙的膨脹,纖維結構中的星係會逐漸遠離彼此,但暗物質的引力會讓它們保持連接——就像一根被拉長的橡皮筋,雖然兩端在分開,但內部依然緊密。南極牆可能會在未來幾十億年裡繼續增長,吸收周圍的星係和暗物質,成為更大的宇宙結構的一部分。
六、未結束的故事:南極牆的“內部秘密”
南極牆的發現,隻是揭開了它神秘麵紗的一角。我們還有很多問題沒有回答:
南極牆的核心部分有多少個星係團?它們的質量分布是怎樣的?
南極牆中的暗物質暈是如何分布的?它們如何影響星係的形成?
南極牆與其他宇宙結構比如斯隆長城)是否有連接?
這些問題,需要更先進的望遠鏡和更深入的觀測來解決。比如,即將發射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡nancygraceroanspaceteespe)和歐洲極大望遠鏡europeanextreeyargeteespe,eet),將能更精確地測量星係的紅移和分布,繪製出更詳細的三維宇宙地圖。而平方公裡陣列射電望遠鏡sarekioetrearray,ska)則能通過射電波穿透塵埃,觀測南極牆中的中性氫氣體,揭示纖維結構中的氣體流動。
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當我合上電腦,窗外的銀河依然清晰。那些曾經被我視為“黑暗禁區”的南天星空,現在充滿了未知的驚喜。南極牆就像一麵鏡子,照出了人類認知的邊界——我們曾以為銀河就是宇宙的全部,後來發現它是宇宙網中的一個節點;我們曾以為隱匿帶是一片空白,後來發現裡麵藏著14億光年的宇宙巨牆。
宇宙從不會停止給我們驚喜。而我們,隻是剛剛開始讀懂它的故事。
第二篇預告:《南極牆的內部宇宙:星係團與暗物質的舞蹈》——我們將深入南極牆的核心,探索其中的星係團結構、暗物質暈的分布,以及星係如何在纖維中形成與演化。
南極牆的內部宇宙:星係團與暗物質的舞蹈第二篇)
當我們把哈勃太空望遠鏡的鏡頭對準南極牆的核心——那個被命名為“南極星係團”soutecuster,spc)的電波區域時,屏幕上浮現的景象足以顛覆任何對“宇宙混亂”的想象:數百個橢圓星係像被無形的線串起的珍珠,鑲嵌在一個直徑約200萬光年的發光繭中;繭的內部翻湧著溫度高達1000萬開爾文的高溫氣體,發出耀眼的x射線,如同融化的黃金流淌在星係間隙;而在更遙遠的視界邊緣,一條纖細的“纖維絲帶”從星係團核心延伸而出,串聯起天燕座星係團apuscuster)與數十個小型星係團,像一串被宇宙風串起的琥珀項鏈。這不是藝術家的想象,而是南極牆“心臟”處最真實的動態畫卷——在這裡,暗物質的引力、星係的熱運動與氣體的冷卻過程交織成一場持續了100億年的“宇宙芭蕾”。
一、星係團:宇宙大尺度結構的“節點引擎”
要理解南極牆的內部邏輯,首先得拆解它的“核心構件”——星係團gaaxycuster)。作為宇宙網中“纖維”與“節點”的交彙點,星係團是宇宙中最大的引力束縛結構之一,通常包含數百到數千個星係、數萬億顆恒星,以及足以填滿數百萬個銀河係的高溫氣體。它們的質量可達101?到101?太陽質量,其中暗物質貢獻了約8590的引力,普通物質星係、氣體)僅占1015。
南極牆的核心區就坐落著兩個典型星係團:南極星係團與天燕座星係團。南極星係團是南極牆的“主節點”,距離地球約5.2億光年,包含約120個星係,其中80是橢圓星係——這一比例遠高於宇宙平均水平約30)。用哈勃望遠鏡的先進巡天相機acs)觀測,會發現這些橢圓星係的形態高度相似:沒有明顯的盤狀結構,也沒有旋臂,整體呈光滑的橢球狀,核心區域明亮,邊緣逐漸變暗。天文學家將這種形態歸因於星係團內部的潮汐相互作用:當螺旋星係如銀河係)落入星係團時,會受到不均勻的引力拉扯——星係團中心的引力比外圍強,導致星係的一側被拉伸,另一側被壓縮,最終螺旋結構被撕裂,隻剩下橢圓的“殘骸”。
agnitudereation,r)。橢圓星係多為“紅星係”顏色偏紅),因為它們幾乎停止了新恒星的形成;而螺旋星係多為“藍星係”顏色偏藍),因為有大量氣體在形成恒星。南極星係團中,90的橢圓星係都落在r的“紅序列”上,說明它們的恒星形成活動早已終止——這一過程被稱為“淬滅”enching),是星係團環境對星係的“致命改造”。
相比之下,天燕座星係團更年輕、更活躍。它距離地球約5.5億光年,包含約80個星係,其中仍有30是螺旋星係。錢德拉x射線望遠鏡的觀測顯示,天燕座星係團的核心有一個正在增長的超大質量黑洞,其吸積率單位時間內吞噬的氣體質量)是南極星係團的5倍。這種“活躍”狀態帶來了劇烈的星暴活動starburst):在星係團的邊緣區域,大量藍色星暴星係正在以每年100倍太陽質量的速度形成新恒星——這是宇宙中最劇烈的恒星形成場景之一,持續時間可達數千萬年。
二、暗物質:看不見的“結構骨架”
如果說星係團是南極牆的“節點”,那麼暗物質就是支撐整個結構的“骨架”。儘管我們無法直接看到暗物質,但它通過引力留下了不可磨滅的“指紋”——引力透鏡效應gravitationaensing)。
2018年,波馬雷德團隊利用哈勃望遠鏡觀測到南極星係團後方的一個背景星係sdssj1306+0356。這個星係的可見光被南極星係團的引力扭曲成一個完美的弧形,就像透過玻璃球看遠處的燈光。通過測量弧的曲率和變形程度,團隊計算出南極星係團的暗物質暈質量約為9x101?太陽質量,半徑達100萬光年。更關鍵的是,暗物質暈的密度分布符合nf輪廓navarrofrenke)——一種由冷暗物質cd)宇宙學預測的標準分布:中心密度極高,向外逐漸降低,形成一個“平坦的核心”。
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模型的核心假設:暗物質是宇宙結構的“搭建者”。早在1933年,瑞士天文學家弗裡茨·茲威基fritzicky)就通過測量後發座星係團中星係的運動速度,發現可見物質的質量不足以束縛高速運動的星係——他稱這部分缺失的質量為“暗物質”。70多年後,南極星係團的引力透鏡觀測再次證明:沒有暗物質的引力,星係團中的星係會以每秒數千公裡的速度四散逃逸,根本無法形成穩定的結構。
暗物質的作用遠不止“束縛星係”。它還是星係形成的“燃料輸送機”:暗物質暈的引力會吸引周圍的普通氣體,形成旋轉的“氣體盤”。這些氣體在盤內冷卻、收縮,最終形成恒星和星係。南極牆中的纖維結構,本質上是暗物質暈的“連接管道”——暗物質暈相互吸引、合並,將氣體從纖維的一端輸送到另一端,為星係團提供持續的“燃料”。
三、星係的生死循環:從螺旋到橢圓的“淬滅之路”
南極牆中的星係形態差異,本質上是環境與時間的共同產物。我們可以用一個典型的螺旋星係“ngc4374”屬於南極星係團)的演化史,還原這個“淬滅”過程:
約100億年前,ngc4374還是一個位於宇宙邊緣的螺旋星係,擁有明亮的盤狀結構和旋臂,核心有一個小型黑洞。隨著宇宙膨脹,它所在的暗物質暈逐漸向南極星係團的暗物質暈靠近——這是一個持續了數十億年的“引力墜落”過程。
當ngc4374進入南極星係團的“外圍區域”距離核心約100萬光年)時,首先遭遇的是高溫氣體的衝擊:星係團中的高溫氣體溫度107k)密度是銀河係星際氣體的100倍,ngc4374的冷氣體溫度100k)與之碰撞後,被迅速壓縮,觸發了大規模的恒星形成——這就是“前淬滅階段”,星係的藍色核心變得更亮。
接下來是潮汐剝離:南極星係團的引力場將ngc4374的外圍恒星和氣體慢慢剝離,就像用手扯掉的外層。同時,星係內部的超新星爆發和黑洞活動產生的“星係風”,將剩餘的冷氣體吹向星係際空間——失去氣體的ngc4374無法再形成新恒星,逐漸變成一個“死”的橢圓星係。
最後是核心強化:隨著時間的推移,ngc4374的核心黑洞通過吸積周圍的氣體逐漸增長,變成一個巨橢圓星係的核心。哈勃望遠鏡觀測到,它的核心區域有一個明亮的“核球”buge),由年老的恒星組成,沒有新恒星形成的痕跡——這就是淬滅後的最終形態。
這個過程的時間尺度約為10億年,正好符合南極牆中星係的年齡分布:大多數橢圓星係的年齡在100億年以上,而螺旋星係的年齡更年輕約50億年)——它們要麼剛落入星係團,要麼還在“抵抗”環境的改造。
四、動態的宇宙:星係團的運動與合並
南極牆不是靜態的“雕塑”,而是一個充滿活力的“生態係統”。通過測量星係的視向速度沿觀測者視線方向的速度),天文學家發現,整個結構都在“呼吸”:
纖維中的流動:南極牆中的星係並非隨機分布,而是沿著纖維方向以每秒300500公裡的速度向核心運動。比如,天燕座星係團中的一個小型星係團“eso137002”,正以每秒450公裡的速度向南極星係團靠近——這是暗物質暈引力牽引的結果。
星係團的合並:天燕座星係團正在與旁邊的“eso137003”星係團合並。用va射電望遠鏡觀測,能看到兩個星係團的“潮汐尾”tidatai)——由被剝離的恒星和氣體組成的長絲,長度達50萬光年。合並過程中,氣體的壓縮觸發了強烈的星暴活動,形成了數十個藍星暴星係。
黑洞的合並:南極星係團中心的巨橢圓星係“eso137001”有兩個超大質量黑洞——這是之前兩個星係團合並的遺留。這兩個黑洞正以每秒1000公裡的速度相互繞轉,預計將在10億年後合並,釋放出強烈的引力波——這將是isa激光乾涉空間天線)未來可能探測到的事件。
五、觀測的邊界:用多波段視角拚湊真相
要理解南極牆的內部宇宙,單一波段的觀測遠遠不夠。天文學家需要整合可見光、x射線、射電和亞毫米波的數據,才能拚湊出完整的畫麵:
可見光哈勃望遠鏡):揭示星係的形態、顏色和結構,比如橢圓星係的光滑表麵與螺旋星係的旋臂。
x射線錢德拉望遠鏡):觀測高溫氣體107108k),顯示星係團中的“熱暈”和噴流痕跡。a):探測中性氫氣體100k)和同步輻射,了解星係中的冷氣體分布與黑洞噴流。
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