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中国观测奇迹缘何震惊国际天文学界
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作者:
linda
时间:
2015-3-21 20:20
标题:
中国观测奇迹缘何震惊国际天文学界
因为一项震惊科学界的天文发现，北京大学物理学院天文学系教授、科维理天文与天体物理研究所副所长吴学兵，成了全球媒体追逐的焦点人物。
吴学兵取得的轰动成果，是他带领团队观测到了一个迄今为止发现的宇宙早期亮度最高、中心黑洞质量最大的类星体。
“类星体”因形似恒星而得名，它位于银河系外，是一种能量巨大的遥远天体，被列为上世纪60年代的四大天文发现之一。多年后科学家确认它的中心是质量在太阳千万倍以上的超大质量黑洞。类星体能够发出异常明亮的光芒，正是这个超大质量黑洞产生的巨大引力不断迅猛吞噬周围气体导致的，这些气体在落入黑洞的引力势阱时被加热至很高的温度，从而发出比任何恒星都要明亮的光。
吴学兵团队观测到的这颗名为SDSS J0100＋2802的类星体，拥有430万亿倍的太阳光度，距离地球128亿光年，比目前已知距离地球最远的130亿光年的类星体还亮7倍。其中心黑洞质量相当于120亿个太阳，相比之下，银河系中心的黑洞质量只相当于300万个太阳。
由于这颗类星体中心黑洞的成长速度太过惊人，引发了国际天文学和宇宙学界的强烈关注。现有理论认为，宇宙形成于137亿年前的一次大爆炸，之后宇宙不断地膨胀，导致密度和温度下降，物质由小到大地形成，然后逐步演化成星云、恒星、星系等等。
吴学兵团队发现的这颗类星体大约诞生于宇宙大爆炸后的9亿年，那时的宇宙年龄仅约为现在的6%，还相当年轻。因此难以解释，在这么短暂的时间里，相当于120亿个太阳质量的超大黑洞是如何快速形成的？
打破纪录的意外发现
吴学兵用于发现这颗超亮类星体的工具是国内最大的通用型光学望远镜，位于云南丽江附近海拔3200米的高美古，口径2.4米，而国际上其他类似发现均是使用6.5米以上，甚至10米口径望远镜观测到的。
类星体本身发光能力很强，但由于距离地球太过遥远，因此看上去亮度并不高。
在宇宙学上，科学家用“红移”来描述天体的距离。由于宇宙膨胀，天体在离我们不断远去，根据物理学上的多普勒效应（即由于物体运动导致所发出的光波或声波的频率或波长在远处观测者看来会发生变化），这将导致我们接收到的光的波长比天体本身发出的光更长。二者波长之差与天体原发光波长之比，就称为红移。这种红移是由于宇宙膨胀导致的，也称为宇宙学红移（对遥远类星体的光学波段发光而言，宇宙学红移远比黑洞附近的引力红移大很多，所以后者可不予考虑）。红移越大，意味着天体离我们越远。
在目前已发现的20多万颗类星体中，距离超过127亿光年（即红移大于6）的类星体只有约40个，而吴学兵发现的这颗类星体红移为6.3，排名第8。
2012年2月底至3月初，丽江2.4米口径光学望远镜开放运行不久，吴学兵带领团队在6个晚上的观测时间里，用它发现了多个类星体，其中一个红移为4.6。2013年，还是用这台望远镜，他们又发现了几个红移5以上的类星体。这些成功观测让他们寻找更高红移类星体的信心大增。
2013年12月，吴学兵和团队成员们抱着寻找红移5以上类星体的想法，在选择高红移类星体候选体时发现，有三个很像红移6以上的类星体候选体。其中一个候选体的i波段（7500埃左右）星等接近21等，z波段（8900埃左右）星等为18.4等（星等数字越小，表示看起来越亮），光学的其它波段没有探测到，但红外波段较亮——这些特征与红移6以上的类星体非常符合。
起初，吴学兵并没有抱太大的希望。因为这个候选体相对较亮，而它如诞生在宇宙早期，由于距离遥远，一般会看起来很暗。由于这个被优先选中的候选体的i波段星等较暗，为增加信噪比，在12月29日这天夜晚，他们使用2.4米望远镜的最低分辨率光栅来拍这个候选体的光谱。
与一般人的想象不同，天文学家用望远镜观测时，往往并不知道自己拍到的是什么，要等事后分析光谱才能确知究竟“看”见了什么。次日，吴学兵的团队成员开始处理数据。晚间时分，光谱数据出来了。
“我一看就知道是好东西。”吴学兵说，由于望远镜的分辨率不是太高，他当时判断这颗类星体的红移至少有6.2，很可能在6.3左右。
吴学兵的笔记本上记录了他当时的推算：如果红移能达到6.3的话，那么它距离地球会有128亿光年，光度会是太阳的430万亿倍。与之前发现的高红移类星体作比较，他们发现这个类星体比已知最远（红移为7）的类星体亮7倍，比最亮的类星体（红移6.42，发现者为亚利桑那大学天文系教授樊晓辉）亮4倍，是已发现的早期宇宙中亮度最高的类星体。
一番检查和讨论后，吴学兵和他的团队成员们确信收获了一个伟大的发现，大家激动无比。
兴奋之余，吴学兵第一时间想到，要把这个“怪兽”一般的类星体的光谱发给樊晓辉看，并请他用美国更大的望远镜进行拍摄，以确定红移和黑洞质量的精确数值。
樊晓辉是国际天文学界著名的华裔教授，在拥有世界一流天文台的美国亚利桑那大学任教，曾因发现一颗红移高达6.42的类星体，而将最远类星体的观测记录保持了10年之久。更重要的是，在亚利桑那有6.5米口径的多镜面望远镜（MMT）和8.4米口径的大双筒望远镜（LBT）。
恰巧，现已成为科维理天文所研究员，当时在亚利桑那州立大学工作的江林华博士正在美国使用MMT。1月4日，MMT完成了它的任务，最终确认该类星体的红移为6.3。
2014年元旦，吴学兵给团队成员发邮件“辞旧迎新”，仿佛一个新的时代就在眼前。然而，这新的一年并不顺利。
一波三折的虐心观测
由于中国没有红外望远镜，因此拍不了红外光谱，进而无法确定遥远类星体中心黑洞的质量，吴学兵必须要通过国际合作来推进他的工作。
在樊晓辉的帮助下，吴学兵团队打算借助美国亚利桑那大学的8.4米口径的LBT来拍摄质量更好的光谱。“我对它非常有信心，加上要拍的东西这么亮，我想15分钟的观测时间足够了。”吴学兵说。
2014年1月29日，LBT的拍摄结果出来了，但是红外波段的光谱效果非常不好，大大低于预想。因为红外光谱仪的一大技术难点就是，不易有效降低背景噪音。吴学兵非常失望，也后悔没有要求更多的曝光时间。然而此时观测窗口期已过，要想补拍，只能再等上6个月。
2014年8月6日，吴学兵团队继续用该LBT望远镜观测，这次足足拍了半个小时。结果仍然不如人意，虽然光学光谱的效果很好，但红外光谱仍旧十分不理想，背景噪音依然太大。
两次观测失败无疑是个重大打击。除了樊晓辉可以给予方便的LBT，吴学兵团队想用别人的望远镜去做红外观测，就必须申请观测时间，不再是自己想做就能做的了。
2014年8月底，他们申请位于美国夏威夷的8.1米口径的双子座望远镜的观测时间，得到了台长特批的一小时。这一小时的成果比第二次用LBT拍出的光谱效果要好，但还是不能令人满意，依然无法十分准确地确定黑洞的质量。
此时，顶级科学期刊《自然》正在考虑接收吴学兵团队对这一重大发现所撰写的论文。论文是2014年6月投出的，所用的红外光谱是第一次用LBT拍的，虽然光谱质量不太好，但可以粗略算出中心黑洞的质量。论文中给出的答案是至少有100亿个太阳质量，已经远远超出了已知的宇宙早期最大中心黑洞质量为30亿个太阳的纪录。
《自然》对该论文的评审很顺利，两位审稿人在6月底就一致给出了“positive”的肯定意见，但唯一的要求就是补拍质量较好的红外光谱，否则同行可能对“黑洞质量最大的宇宙早期类星体”产生质疑。
吴学兵团队必须再次尝试。这回他们用上了位于智利北部地区的麦哲伦望远镜，口径6.5米。麦哲伦望远镜的红外探测器和光谱仪性能非常出众。而且，智利北部地处沙漠，常年干燥晴朗，空气中没有水雾干扰，亦没有城市周边的光污染，是绝佳的天文观测地，世界上很多著名望远镜都架设在此。
保险起见，吴学兵“兵分两路”：让中国团队和美国团队各申请一个晚上的麦哲伦望远镜观测时间，加起来整整两个晚上。性能出众的望远镜、绝佳的地理位置、充足的观测时间，似乎万无一失，让人充满期待。
观测在10月2、3日进行，吴学兵派出了两名学生跟随樊晓辉前往智利，他留在国内焦急等待着前方的好消息。那个国庆节假期里，吴学兵唯一的大事就是等邮件，直到10月5日，樊晓辉的“宣判邮件”到了。
“我刚扫了一眼心就凉了。”吴学兵回忆说，“邮件第一句是：这是我最糟糕的麦哲伦观测经历。”原来，在智利的那两个关键夜晚，十分罕见地不是下雨就是多云、大风，直接导致无法观测。
“这个打击太大了。” 回忆这段经历时，吴学兵低着头。看完樊晓辉充满沮丧之情的邮件后，吴学兵回信安慰了他一番，可他自己也是同样的沮丧和失望透顶。
在智利使用这种国际最好的望远镜，即使再次申请观测，起码得等上大半年时间。一切道路仿佛都关闭了。
为了提高红外光谱的质量，吴学兵当时的想法是，把当初LBT和双子座望远镜拍的红外光谱，都拿出来重新整理一遍，看看能不能找到某种方法把噪音降低。如通过叠加谱线之类的办法，做出一个比投给《自然》的光谱哪怕好一点的红外光谱。
戏剧性的是，就在吴学兵打算让他的团队着手做这个光谱作业的时候，仅仅隔了两天，2014年10月7日，从麦哲伦望远镜那里传来了好消息。
原来，当樊晓辉一行垂头丧气地离开后，当地的天气恢复了正常的观测条件，而正在那里工作的美国卡耐基研究所的天文学家尤里·贝莱斯基（Yuri Beletsky）一方面非常同情“倒霉”的中国同行，一方面也想在检修时测试一下望远镜的系统状况，于是把吴学兵想拍的这个超亮类星体当做测试天体，利用自己有限的工程时间主动帮忙拍了一个小时的红外光谱，得到了质量上乘的结果。
根据这个光谱，吴学兵研究团队最终计算出该类星体的中心黑洞质量为120个亿太阳质量。
“贝莱斯基就是我们论文的最后一位作者，他帮了我们大忙，我非常感激他。”吴学兵说，自己之前并不认识他，直到现在也没见过面。
除贝莱斯基之外，还有两位“陌生人”也在观测和研究中帮了些忙。吴学兵给他们发去邮件，邀请他们作为自己论文的合作者。其中一位参与了LBT观测和数据处理工作的天文学家愉快接受了邀请，而另一位贡献较小的天文学家则回复说，有一个致谢就够了。
修改过的论文在2014年12月投出，2015年1月被正式接收。论文在2月26日发表时，《自然》将它与其他3篇论文一起，登在了封面上作为重点推荐。
回顾这一年的经历，由信心满满到沮丧失望，再到陷入绝望，最后在绝望中突然被意外拯救，吴学兵深感2014年过得实在不易。
小口径设备何以领先他人
尽管确认天体各项参数的过程充满曲折，但吴学兵说，实际上做出这一发现的努力80%都不在观测上，而在于观测之前的大量研究工作。
这一研究工作的目标就是从满天星斗里挑出靠谱的类星体候选体，这是最难最关键的环节，而选源的关键方法是他们自己创新的。吴学兵说：“通过我们的方法，在观测前就估计出它很可能是一个红移6以上的候选体。”
中科院院士、类星体专家陈建生在给吴学兵的邮件中，总结他们取得成功的特点是：“中小型望远镜+创新的方法。”
目前，吴学兵的研究团队已经开发出一种基于可见光和近红外数据，高效选择类星体候选体的方法。他们使用了来自美国斯隆数字巡天项目的光学数据和美国宇航局广域红外望远镜的数据。
“选对候选体需要好几年的经验积累，我们实际上是一步一个脚印走过来的。”吴学兵说，因为中国没有大口径的望远镜，他们只能拍亮的天体，拍不了太暗的。碰巧，他们遇见了这个非常亮的天体，有一定的运气成分。但关键问题是，为什么外国拿大口径的望远镜没想到拍它，反而吴学兵团队用2米级望远镜就拍到了呢？
答案在于，人们往往依照传统思维，认为最远的天体就应该暗，所以不相信在那么远的地方会看见一个非常亮的类星体，从而过早放弃。“我一开始也这样怀疑，但我们坚持去拍它，就算不是又怎么样呢？做研究就得敢于尝试。”吴学兵说。
论文发表后，这套创新而领先的方法公诸于世，面对是否会因此被同行学去，从而失去竞争优势的问题，吴学兵略微沉吟后说：“确实有这个问题，但我们的方法更成熟，因为我们先走了一步。别人想学会也需要时间。”
天文学不同于其他基础科学，是全球高度合作和共享研究资源和手段的科学。吴学兵说：“我们会把我们的方法，包括我们的计算程序都公开。宇宙这么大，不能都靠你自己去发现，我们需要把自己掌握的知识告诉同行，让大家一起来探索发现，天文学家面对的天空是共同的。”
“怪兽”挑战现有理论
对于吴学兵的发现，哈佛大学天文系主任阿维·罗卜（Avi Loeb）在接受美国《国家地理》采访时说：“按照亮度来说，这是我们探测到的最大‘怪物’。此天体比整个银河系要亮大约4万倍。”
犹如砸在天文学和宇宙学界的巨石，吴学兵的发现掀起了无数波澜，因为它挑战了现有的宇宙早期黑洞形成与演化的理论。科学家们现在不得不考虑，在宇宙大爆炸后短短9亿年的时间里，一个黑洞如何能长到120亿倍太阳的质量。如果把现在的宇宙年龄当做100岁，那么宇宙大爆炸后9亿年时，它只相当于一个6岁的儿童。“想象一下，6岁的小孩怎么会有几百斤的体重？”吴学兵打比方道。
对此，学术界有各种猜想。
现有理论认为，超大质量黑洞是由一些非常小的种子黑洞，通过吞噬周围的气体而缓慢成长起来的，而种子黑洞应诞生于第一代恒星形成之后。“不太清楚第一代恒星的质量到底是多少，但一般认为是1000个太阳质量左右。”吴学兵说，“第一代恒星形成于宇宙年龄4亿年时，那么只剩下5亿年的时间供一个1000个太阳质量的种子黑洞长成120亿个太阳质量的大胖子，这是怎么实现的呢？”
实际上，类似的问题不是第一次出现，只不过以前的挑战没有这次那么强烈。
2000年，美国宇航局的钱德拉X射线望远镜发现过一个极为遥远并且能量巨大的类星体。这个名为SDSS J1030+0524的类星体也形成于宇宙大爆炸后9亿年，中心黑洞质量估计为10亿个太阳质量。2012年，一个研究团队使用位于夏威夷的英国红外望远镜观测到了名为ULAS J1120+0641的类星体，它形成于宇宙大爆炸后7.7亿年，中心黑洞质量为20亿个太阳。
理论上讲，一个黑洞在基本只靠最大程度地吸积周围物质来增长质量的前提下，至少要花3000万年才能使质量翻番。对离银河系距离较近的星系中心黑洞的观测支持这一理论。按照这种成长速度，别说是有120亿个太阳质量黑洞的类星体，就是上述只有它1/6～1/12重的两个类星体中心黑洞，就已经面临解释困难了。而这还是在假设黑洞从始至终一直保持贪婪吞噬周围气体的状态条件下得到的。
《新科学家》杂志几年前曾讨论过这个问题。杂志援引美国哥伦比亚大学理论天体物理学家佐尔坦·海曼（Zoltan Haiman）的话说：“假设黑洞一直都能吸积气体，这是有问题的。”德国马普天文研究所的布拉姆·维尼曼（Bram Venemans）博士在这次受邀为《自然》撰写的发现超亮类星体的新闻专评中表示：“它必定一直在以接近最大吸积率的速度吸积气体。能够长期维持在最大吸积率使人们很迷惑，因为普遍认为类星体的强辐射可以阻止继续吸积，从而将吸积过程限制在1千万到1亿年之间。超大质量黑洞在少于10亿年的时间内增长到120亿倍太阳质量的事实，暗示着辐射并未有效地阻止黑洞高速吸积。”
《新科学家》杂志引述耶鲁大学天体物理学家普里亚·纳塔拉詹（Priya Natarajan）的话说：“一个特殊的天体，总是可以用特例来解释。”但是，人类已经在同样遥远的距离上，发现了更多有10亿个以上太阳质量的黑洞。“当出现了一批这样的天体时，特例就行不通了，必定有某种自然的方式来造就它们。”
“除非种子黑洞的质量本身就很大，相当于这个大胖子出生时就有100斤的体重，那么这个种子黑洞究竟得有多大？比如一个超过10万太阳质量的种子黑洞，会是如何形成的呢？”吴学兵说。
罗卜教授有类似的想法。他猜测，至少一些第一代恒星不只100或1000个太阳那么重，而是百万个太阳合成一个。“对恒星达到的最大质量原则上没有极限。”但他承认，“我们从来没有看到一个这样的恒星。”
也有很多人猜想，这个超大质量黑洞可能是很多黑洞合并形成的。吴学兵早年专注于黑洞理论研究，对这种猜测，他评论说：“理论上这也不是不可能，但实际上存在很多问题。首先，要形成黑洞需要很多条件；其次必须得形成非常密集的黑洞才有可能合并，相隔很远的两个黑洞是合并不了的。”
加拿大天文数据中心的天文学家克里斯·维尔罗特（Chris Willott）还提出另一种猜想：一些黑洞不是由单颗恒星的引力塌缩形成，而是由非常大的气体云直接塌缩形成的。“关于早期宇宙中黑洞的形成和演化模型我们还很不确定。”他说，“我们拿不出公认的模型与这次的观测相比较。”
还有少部分人猜想早期宇宙中超大质量黑洞的形成与暗物质有关。但吴学兵认为，这种机制是否存在并不明确，因为人类对暗物质的了解比黑洞更少。按目前科学上对暗物质不多的了解估计，即使黑洞的形成与吸积了部分暗物质有关，它也只能增加黑洞的质量，产生不了观测到的类星体发出的巨大强光，而这与目前的观测似乎不符。
樊晓辉表示：“这一超大质量黑洞的发现意味着需要对现有的黑洞形成机制理论进行修改，超亮类星体的发现为科学家研究早期宇宙黑洞的演化提供了契机，但这也是一个重大的难题。”
“我的梦想是填满那些坑”
吴学兵团队的奇异发现不仅刺激了一大批理论家，还同时刺激了天文学家去宇宙中寻找更多的类星体。
布拉姆·维尼曼在《自然》专评文章的最后说：“与吴学兵等所发现的同等亮度的类星体，在距地球更远的地方也可能被观测到，从而使我们看到更年轻的宇宙。虽然正在吸积的超大质量黑洞在早期宇宙中更为罕见，但现在和将来的大面积近红外测光巡天，应该可以观测到这样的天体。宇宙中这样的庞然大物是研究大爆炸以后几亿年的早期宇宙的理想目标天体。”
不过吴学兵很肯定地告诉《赛先生》：“大面积巡天开始后，应该说我们还能找到这样的类星体，但什么时候能找到下一个？两三年内肯定没得找。”
“但我还会继续找，只不过我也有别的梦想。我要把红移5.5的‘干掉’，这个红移段的类星体被发现得很少，而这是2.4米望远镜所能做到的。”吴学兵说，“实际上，找红移6以上的类星体，相对于找红移5.5的更简单。因为红移5.5的类星体的颜色更接近恒星，容易与恒星混淆，不易分辨出来。”
3月以来，吴学兵陆续参加了一些关于类星体的专题学术报告或国际研讨会。在这些会议上，他总会向同行展示一个已被观测到的高红移类星体数目在不同红移处的分布图。在这张图上，红移5.5附近和红移6.5以上被发现的类星体数目明显较其他区域稀少，表现在图上就是一个个陷下去的坑。
高红移类星体数目分布图 吴学兵/供图
目前，天文学家们通过大型巡天观测已经发现了20多万颗类星体，分布于宇宙大爆炸之后7亿年至今。其中，距离超过127亿光年（红移为6）的类星体仅40个左右。
吴学兵告诉《赛先生》，除了红移5.5的，如果有机会，他还要冲击一下红移7以上的类星体。“科学研究就是这样，你总是不断挑战自己。现在我们已经发现了宇宙早期最大的黑洞，那么下一步做什么？我想继续跟国外合作，用国外的大望远镜找更远的天体。”但是用国外的望远镜进行观测，时间非常宝贵，所以必须在观测之前做充分的准备。“选准候选体，然后一拍即中，这是最好的。”
“我跟学生说，还有这么多坑没有填上，我们要把它们填满。我自信有能力实现它，因为我们已经有了这么多年的积累，方法和研究工具都是世界领先的，所以我们应该占领这个高地，对吧？”吴学兵信心十足。
可叹的中国劣势
寻找类星体对人类了解宇宙奥秘有重要帮助。普通星系比类星体的光要暗得多，现在的星系巡天只能探测红移0.7左右的宇宙，但是很亮的类星体却可以找到红移高达6至7的。最遥远的类星体发出的光线到达地球的时间需要一百多亿年，而在到达地球的路途上，这些光会被它们遇到的星系或星系间气体所吸收，从而在类星体的光谱中留下痕迹。通过分析这些痕迹信息，人类才有机会了解到早期宇宙的奥秘。
“如果各个红移段的类星体都能被均匀地发现，形成一个连续完整的统计，那么宇宙展现在人类面前的信息才可能是完备的，我们才能得到没有偏差的结论。”吴学兵说，“类星体是宇宙里很难得的一盏盏‘大探照灯’，要是没有它们，我们对宇宙，尤其是对遥远宇宙的认识就是非常肤浅的。”
吴学兵表示，天体物理的理论是依赖于天文观测的，就是说理论要和观测结合起来，同步发展。“但现在，我们的观测显然还很不好。当务之急就是要建造更大的望远镜，得到更完备的类星体样本，才可能方便理论家们建立更好的理论。而如果没有观测作为验证，理论家提出的各种猜想就几乎只是空谈，大家也不会相信。”
说起国内没有大口径光学望远镜，吴学兵似乎充满无奈：“我一直抱怨这件事。20年前我当学生的时候就在用一个2米口径的望远镜，今年春节我带着学生去河北兴隆县观测，还是用2米口径的望远镜。国外现在最大的光学望远镜口径是10米，普遍也是用6米的。我们跟人家的差距太大了！”
近年来，陈建生和吴学兵等人一直不断呼吁我国建造更大口径的望远镜，但收效甚微，因为做最终决定的并不全是科学家。“对望远镜最有需求的，就是我们这些在第一线工作的天文学家。现在已经很清楚地知道，用2米口径的望远镜只能观测到那些很亮的天体，但我也想观测暗的呀。”吴学兵说：“越暗的天体数目越多，我们从中选出的类星体候选体也会越多。因为望远镜不行，我们观测不了暗的，这对我们的研究有很大限制。”
吴学兵认为，中国天文观测的基础设施建设之所以落后，并非是经济原因，而是决策观念的问题。“有人觉得要建就一步到位，在国内建个20米的。但建20米望远镜是有难度的。我们现在只是2米的水平，一步迈到20米跨度太大，探测器等技术方面有很多困难。但要是建一个5、6米的望远镜是完全可以自己做的，大概两三年时间就能建成，而且可以用很长时间，不会浪费。”在大口径望远镜的建设方面，吴学兵认为中国应加入更多的国际合作项目，以节省经费并从中学习尖端建造技术。
由于设备落后和基础科学不受重视等原因，中国大学的天文系多年来招不到最好的学生。“国外老在吸引我们优秀的学生过去，我们自己得想办法留住这些人才”。作为一名教师，吴学兵深感人才短缺是限制中国天文学发展的另一大障碍。
“其实年轻的天文爱好者很多，但出于社会上对基础学科不够重视的原因，以及家长的影响，那些爱好天文的孩子，最终有多少真的进入天文研究的行列里呢？这个数字其实是很小的。”吴学兵说，“设备、人才，这是中国天文研究的最大劣势。”
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