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“悟空”号暗物质粒子探测卫星

暗物质粒子探测卫星(英文:Dark Matter Particle Explorer,缩写:DAMPE)是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。

DAMPE是一个空间望远镜,有效载荷质量1410公斤,它可以探测高能伽马射线、电子和宇宙射线。它由一个塑料闪烁探测器、硅微条、钨板、电磁量能器和中子探测器组成。DAMPE的主要科学目标是以更高的能量和更好的分辨率来测量宇宙射线中正负电子之比,以找出可能的暗物质信号。它也有很大潜力来加深人类对于高能宇宙射线的起源和传播机制的理解,也有可能在高能γ射线天文方面有新发现。

2015年12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空。它具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强等优势,将中国的暗物质探测提升至新的水平。

中科院紫金山天文台2016年12月29日通报,暗物质粒子探测卫星“悟空”近两个月内频繁记录到来自超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。这是暗物质卫星科研团队自卫星上天后首次发布观测成果。“悟空”观测到的现象表明,黑洞CTA 102正经历新一轮活跃期。

“悟空”是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,超过国际上所有同类探测器。它将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务,探寻暗物质存在的证据,研究暗物质特性与空间分布规律。

主要目的:寻找暗物质粒子,研究暗物质特性与空间分布规律,探寻宇宙射线起源并观测高能伽马射线,有望在物理学与天文学前沿带来新的重大突破。

主要本领:测量高能粒子的能量、方向和电荷,以及鉴别粒子的种类。

主要构成:塑闪阵列探测器(PSD),硅阵列探测器(STK)、电磁量能器(BGO)、中子探测器。

PSD用作反符合,由两层塑料闪烁体条组成;STK由6个径迹双层,每个由正交摆放的两个单面硅条组成;有三层钨板厚度分别为1cm、2mm、2mm,,插在硅微条的第2、3、4层前面,用作光子转换;BGO有14层,每层22根,相邻两层正交排列,用来测量射线的能量;中子探测器加在量能器的底部。BGO量能器和STK总共大约33个辐射长度,是空间里最深的量能器。

各自作用:

塑料闪烁体探测器:区分电荷。电子和光子打进来,是不同的。

Si阵列探测器:测量宇宙线的方向和电荷。

BGO量能器:最为重要,测量宇宙线的能量。

中子探测器:区分质子和电子。

同时,不同能量产生的簇射的大小也不同。

DAMPE可以以前所未有的灵敏度和能量范围探测电子,光子和宇宙射线(质子和重离子)。对于电子和光子,探测范围是5GeV-10TeV,在800GeV的能量分辨率为1%。对于宇宙射线,探测范围为100GeV-100TeV能区,在800GeV的能量分辨率优于40%。对于电子和光子,几何因子是约0.3 mSR,对于宇宙射线大约0.2 mSR。100 GeV的角分辨率为0.1°。

一是暗物质间接探测,也是最主要的;二是寻找宇宙射线的起源;三是伽马射线天体物理。

1.什么是高能宇宙射线?

指的是来自宇宙中具有相当大能量的带电粒子流,1912年由德国科学家韦克多?汉斯发现。他制作了一个电离室,用于测量空气中的电离度(空气中的带电粒子数量)。同时期也有其他的科学家制作电离室,汉斯的创新之处在于,他将电离室放在热气球上,这样在放飞前,能测量出地面的电离度,放飞后,能测量出不同海拔高度的电离度。而汉斯的测量结果显示:海拔越高,电离度越大。

这说明带电粒子并不是地球产生的,否则不会越远离地面,电离度越高。也就是说,宇宙空间会产生带电粒子,再打到地球上。

宇宙线产生后,在银河系传播的过程中,有一定的几率逃脱银河系,跑到宇宙空间去,这样宇宙线的能量就会越来越低。但实际上宇宙线的能量是比较稳定的。这是因为宇宙线有源头,宇宙线的源头一般认为是超新星的爆发。当超新星爆炸的时候,会将自身的高能量粒子,例如氢核、氦核,以非常高的速度抛射到星系空间中。

2.为什么测量高能宇宙射线有可能发现暗物质?

宇宙线的源头一般认为是超新星爆发,而如果暗物质存在的话,暗物质湮灭的时候产生的宇宙线,就成为了宇宙线的额外来源,这时候探测到的宇宙线会不同于标准模型,多出来的一部分可能来源于暗物质湮灭或者衰变,对这多出的一部分进行探测,就是暗物质的间接探测。由诺贝尔物理学奖获得者丁肇中主持的AMS项目中的暗物质粒子探测卫星AMS-2,就是应用的这一原理。我国的暗物质粒子探测卫星也是一个宇宙线探测器,就是应用这类机制来探测暗物质。

空间探测宇宙线主要测量宇宙线粒子的电荷、能量和入射方向,其中测量电荷包括电荷的大小与正负。电荷正负的测量是最困难的,必须借助于磁场才能实现。磁谱仪可以测量宇宙线在其磁场中的偏转,进而判定入射宇宙线的电荷。磁谱仪造价昂贵,现在仍在空间运行的探测器只有AMS-02。Fermi-LAT、CALET和DAMPE这3个探测器都利用量能器来测量宇宙线的能量,而不测量电荷的正负。DAMPE即“悟 空”是中国第1个空间高能粒子探测器,经过全球征名活动,最终命名为“悟空”,寓意用《西游记》中火眼金睛的悟空寻找难以察觉的暗物质存在的证据。“悟空”已于2015年2月17日发射升空,是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,其观测能段是国际空间站阿尔法磁谱仪的10倍,能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。目前在轨运行状态稳定,数据源源不断地获取了大量数据。DAMPE是以中国为主,瑞士和意大利参与共同研发完成的。DAMPE主要探测电子宇宙射线、高能伽玛射线和高达Pe V的核素宇宙射线。它具有能量分辨率高,测量能量范围大和本底抑制能力强三大优点。设计指标如表1所示。DAMPE的性能优势和它的结构设计紧密相关。暗物质粒子探测卫星的探测器由4部分组成,分别是:塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器以及中子探测器。

塑闪阵列探测器的主要功能是测量入射宇宙线的电荷以区分不同核素,也有可区分高能电子和伽玛射线。高能带电粒子在穿过塑料闪烁体时,通过电离和发射辐射(光子)的方式损失能量。沉积的能量转化为荧光,被两端的光电倍增管转化为电信号,经打拿级放到后读出。塑闪阵列探测器主要由兰州近代物理研究所负责研制。硅阵列探测器的主要功能是测量入射宇宙线粒子的方向和电荷。硅阵列探测器由6大层硅微条探测器上下层叠排布而成。同时在第1/2、2/3和3/4层之间各有一块钨板。高能光子在穿过钨板时以较高的概率转化为正负电子对。所以光子和电子在量能器中的信号是一致的。如果在第一层没有记录到带电粒子的信号,但在下面几层记录到信号,则入射粒子为伽玛射线。硅阵列探测器是由中国科学院高能物理研究所、日内瓦大学、佩鲁贾大学等单位共同研制的。BGO量能器是探测器最核心的组成部分,其功能是测量宇宙线粒子的能量,并可区分宇宙线中电子与质子。BGO晶体是一种无色透明的没有激活剂的纯无机闪烁体,是核物理实验中常用的一种闪烁体材料。暗物质粒子探测卫星所使用的BGO晶体是由上海硅酸盐研究所专门设计开发的。BGO量能器的数据读出系统有高达8万路的电子学信号通道(也就是整个探测器有8万路电子信号输出;而且这8万条电子学信号通道要在1 m3这样小的范围内布局完成,难度很大)。

中子探测器测量的是宇宙线粒子在探测器上面3层中产生的次级中子。高能电子主要是电磁簇射,产生的中子数目很少,但是质子和其他核素还会发生强子簇射,从而产生大量的高能中子。根据这种效应,可以进一步区分宇宙线的电子和质子。中子探测器主要由中国科学院紫金山天文台负责研制。

与国际上其它暗物质探测卫星相比,有三个显著优势。

一是能够测量的宇宙线的能量非常高,可以测量到104个GeV;二是能量分辨率高,可以达到1%左右,测得比较准;三是测量能量的本底比较低,也就是区分电子和质子的能力非常强。

天文观测表明,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。此前,他与外国同行合作发现一些不明来历的高能电子可能是暗物质粒子湮灭的证据。

为了进一步追寻暗物质的踪迹,常进的科研团队提出了研制“暗物质粒子探测卫星”计划,得到了科技部和中科院的支持。常进介绍,在茫茫宇宙中寻找暗物质并非易事,传统方法是采用大型探测器。如诺贝尔奖获得者丁肇中教授研制的阿尔法磁谱仪2号,探测器重达7吨。而我国正在研制的“暗物质粒子探测卫星”,耗资少,重量轻,希望能在暗物质探测领域取得突破。

占宇宙95%以上

占宇宙95%以上的暗物质和暗能量由万有引力定律证实存在,却从未被直接观测到。暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域。包括我国在内的世界各国正在筹建或实施多个暗物质探测实验项目,其研究成果可能带来基础科学领域的重大突破。

据介绍,“悟空”由四个有效载荷组成,分别是塑闪列阵探测器、硅列阵探测器、BGO能量器和中子探测器。所有探测器及电子设备安装在1个立方米的空间内,技术难度超过了我国目前所有的上天高能探测设备。

此次发射的暗物质卫星全部由中科院研制、生产。工程2011年立项,造价1亿美元,远低于国外同类探测器。卫星将在轨运行3年以上,首批科学成果有望在6个月至1年后发布。

用于发射的长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院抓总研制,这是长征系列运载火箭的第221次飞行。

中科院国家空间科学中心主任吴季表示,暗物质粒子探测卫星的成功发射和在轨运行将有望推动我国科学家在暗物质探测领域取得重大突破,对促进我国空间科学领域的创新发展具有重大意义。

除暗物质卫星外,我国科学卫星系列还将陆续发射量子科学实验卫星、实践十号返回式科学试验卫星、硬X射线调制望远镜卫星。

神奇的暗物质

新闻背景:暗物质是怎样一种神奇的存在?

新华社酒泉12月17日电(记者吴晶晶、喻菲、余晓洁)暗物质有多火?就连热门美剧《生活大爆炸》里的主角“谢耳朵”都转行研究暗物质了。

暗物质是怎么被发现的?20世纪30年代初,美国加州理工学院的天体物理学家兹威基第一个发现,宇宙中可见物质远远不足以把宇宙连成一片,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系早就分崩离析。

科学家把这种看不见的神秘物质称为“暗物质”。到了20世纪70年代,多种天文观测,比如盘星系的旋转曲线、星系团X射线观测、引力透镜等都显示了暗物质的存在。但直到现在还没有确定的暗物质信号被探测到。

暗物质这一概念是瑞士天文学家Fritz Zwick提出的。他在研究Coma星系团的时候发现根据维里定理计算出的星系团的总质量要远大于根据发光度计算出来的星系团质量,他推测星系团中存在着大量不发光的物质,并称之为暗物质。20世纪70年代,美国天文学家Vera Rubin等测量发现星系的旋转曲线(也就是星系中的物质绕中心旋转的速度与到中心距离的关系)发现大半径处的旋转速度远大于发光物质给出的理论预期。如果引力理论正确的话,就需要引入看不见的物质来提供更大的引力以束缚住速度如此大的物质。尽管暗物质粒子的确切物理性质仍有待进一步研究,一般认为暗物质粒子具有如下性质:电中性、大质量(比质子重许多)、长寿命(显著长于宇宙的寿命137亿年)、具有正常引力相互作用。暗物质粒子没有电磁相互作用和强相互作用,但可能具弱相互作用。已知的粒子中不存在满足这些性质的粒子,这意味着暗物质粒子的研究极可能带来物理学的革命性突破。

虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成,但通过观测它如何影响普通物质,并模拟它的引力效应,还是对它有了一些了解:

宇宙中95%以上是暗物质和暗能量,暗物质占26.8%。暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用,它无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。

暗物质难以探测,还在于它密度小、速度快,难以捕捉。科学家测算,暗物质粒子每秒的运动速度为220千米,是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。

暗物质应该来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻,宇宙温度非常高,粒子能量非常强,它们剧烈碰撞,在这种相互作用下,包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。

宇宙的结构与暗物质有关。由于暗物质和它自己以及其他物质不发生除了引力以外的作用,它是促使宇宙膨胀时在自身引力下形成特定结构的首要物质类型。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子,随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力点上,并最终形成了星系。

暗物质对生命来说是绝不可少的。假如没有暗物质的引力作用,我们所在的银河系将永远无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中坍缩形成。那样的话,现在既没有太阳,也没有地球,更没有你我……

中科院国家空间科学中心主任吴季说,由于人类还不了解暗物质,不得已才称它们“暗”,一旦发现了它们是什么,并且随着研究的深入,新发现的粒子就会有很多名字。“暗”只是阶段性的名字,也充分体现了人类还不了解它。

对于找到暗物质,科学家已经等待了数十年。通过一系列实验和观测,科学家们或许距离破解暗物质这个宇宙谜团只有一步之遥了。

现阶段主要有3种暗物质探测方案:直接探测、间接探测和对撞机探测。直接探测寻找的是暗物质粒子和核子碰撞产生的信号。这类实验因为要屏蔽大气中带电粒子的影响,一般在地下实验室进行,其优点是可以在地面进行,造价较低。中国有世界上最深的地下实验室锦屏地下实验室,因此中国在暗物质直接探测领域也取得了很大的成就,清华大学和上海交通大学各自独立进行暗物质直接探测实验项目。对撞机探测主要是寻找高能粒子对撞产生的无法被探测器探测的暗物质粒子引发的能量动量不守恒过程。这类探测都是在大型高能对撞机上进行,造价高昂,技术难度大。间接探测主要通过研究探测银河系内的暗物质粒子湮灭产生的普通粒子,信号在宇宙线能谱上变现为各种“超出”或者“鼓包”。因为大气对宇宙线的屏蔽作用,这类实验需要发射空间探测器在大气层进行探测。国际上正在运行的空间科学卫星有费米大天区望远镜(Fermi-LAT),阿尔法磁谱仪2(AMS-02)、电子对望远镜(CALET)和中国的暗物质粒子探测卫星DAMPE。

2015年12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭丁成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,卫星顺利进入预定转移轨道。此次发射任务圆满成功,标志着我国空间科学研究迈出重要一步。

“悟空”肩负着去太空寻找暗物质存在证据的使命,它拥有“火眼金睛”,观测能段、能量分辨率超过国际上其他同类探测器,可谓“神通广大”,有望在物理学前沿带来重大突破。

暗物质和暗能量被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。目前,中国和世界各国已着手筹建或实施多个暗物质探测实验项目,其研究成果可能带来基础科学领域的重大突破。

暗物质粒子探测卫星公开征名活动由人民网和中国科学院国家空间科学中心、中国科学院紫金山天文台和共同主办,自9月底上线以来,共收到有效名称方案32517个。在数据统计的基础上,经过专家评委投票,由中科院批准,2015年12月16日下午,中国科学院国家空间科学中心宣布将暗物质粒子探测卫星正式命名为“悟空”。

将暗物质粒子探测卫星命名为“悟空”,符合将科学卫星以神话形象命名的做法,如美国的阿波罗、欧洲的尤利西斯、中国的玉兔等。这样做可以借助传统文化,提升我国公众科学素养,吸引青少年热爱科学、探索未知。 悟空是中国古典名著《西游记》中齐天大圣的名字,“悟”有领悟的意思,“悟空”有领悟、探索太空之意;另一方面,悟空的火眼金睛,犹如暗物质粒子探测卫星的探测器,可以在茫茫太空中,识别暗物质的踪影。

2015年10月29日至31日,由中国科学院紫金山天文台主办的第四届暗物质探测卫星(DAMPE)研讨会在南京召开。来自DAMPE主要研制单位中国科学院紫金山天文台、高能物理研究所、近代物理研究所、国家空间科学中心和中国科学技术大学以及国际合作单位瑞士日内瓦大学、意大利国家核物理研究所、佩鲁贾大学、巴里大学、萨伦托大学以及美国麻省理工学院等单位50余位专家学者参加了此次会议。

研讨会期间,常进 正式宣布暗物质粒子探测卫星科学合作组成立。科学合作组在DAMPE科学应用系统组织下,负责DAMPE探测器运行及实验数据的刻度、重建、物理分析。合作组推举了组织委员会(IB)和执行委员会(EB),下设运行组、软件组、技术组、物理分析组和科学顾问组。会议最后,科学应用系统还对DAMPESW软件的研发状态和分工进行讨论及确定,为卫星成功发射后的数据处理及分析、科学目标的实施奠定了基础。

2012年12月,由中国科学技术大学探测与核电子学国家重点实验室研制的DAMPE粒子探测谱仪初样鉴定件在在欧洲核子研究中心(CERN)进行了为期20天的束流测试和标定实验。此次DAMPE谱仪鉴定件在CERN的束流实验,是整个暗物质粒子探测卫星研制中必不可缺少的一环,其成功完成,验证了DAMPE谱仪的软、硬件功能完备正确、系统工作可靠、科学探测数据可信、性能达标;并为正样飞行件在轨运行物理数据的分析提供了依据,保证了未来科学成果的可信度。

2016年3月17日,我国空间科学系列首发星暗物质粒子探测卫星“悟空”圆满完成三个月的在轨测试任务,顺利交付用户单位。

经过三个月的在轨测试,卫星的四大科学载荷塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器功能性能稳定,上注至卫星的全部指令均正确执行,星地链路通畅,完成了所有既定的测试项目,卫星各项技术指标达到或超过了预期。

直接探测测量的是暗物质粒子和原子核碰撞后原子核的反冲信号。核反冲信号一般通过测量声子、光和电荷这三类信号获得。国际上已经开展的实验有很多,如Xenon,CoGeNT ,CDMS ,DAMA等。

中国科学院遥感与数字地球所所属的中国遥感卫星地面站喀什站已于12月20日8时45分成功跟踪、接收到我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”的首轨X频段下行数据,到8时52分完成任务数据的接收、记录,并传输至中国科学院国家空间科学中心。这一成功接收,标志着“悟空”和地面站星地之间的数据传输链路正式开通。

2015年12月24日17时55分,我国科学卫星系列首发星暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉成功升空后第7天,经卫星平台测试、有效载荷管理器加电测试、科学探测器高压加电测试后,第一批科学数据成功下传至中科院国家空间科学中心空间科学任务大厅。

接收到的数据显示,暗物质卫星的四大科学载荷:塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器探测到的高能电子和伽马射线计数与地面预测计数率一致,表明暗物质卫星的有效载荷已开始正常工作。

暗物质卫星自2015年12月20日接收到第一帧数传数据以来,卫星地面支撑系统累计接收数据494轨,累计接收原始数据文件约2.4TB,生成科学数据产品41类,总计110606个,数据产品总量约5.5TB。截至2016年3月17日,暗物质卫星在轨飞行92天,共探测到4.6亿个高能粒子,完成了三分之二天区的扫描。

暗物质粒子探测卫星是中国第1颗空间天文卫星,它在暗物质间接探测方面具有较强的国际竞争力,大大提升了我国暗物质探测水平。DAMPE的主要科学目标有3个:暗物质间接探测、宇宙线物理和伽马射线天文。DAMPE已于2015年2月17日发射升空。目前在轨运行状态稳定,已获取了大量数据。DAMPE可以准确测量宇宙线正负电子的能谱,有望完整测量“超出”的截断行为。宇宙线正负电子“超出”的起源有暗物质和天体物理过程两类模型,所预言的“超出”的截断行为有显著差异。现有的数据因为只覆盖了相对较低的能段部分,还无法进行有效区分这两类模型。DAMPE有望准确测量“超出”截断处的能谱,区分起源模型。此外,DAMPE还将首次在空间得到1~10 Te V的电子宇宙射线的能谱、发现或限制邻近的高能电子射线源。DAMPE由于优秀的能量分辨率,在伽马射线线谱的搜寻上有望取得突破。因为对于线谱结构,能量分辨率差的话信号容易淹没在背景噪声之中。在高能量分辨率的数据中却会表现为非常“尖”的结构。因此能量分辨率越高,就越有可能在数据中找到线谱结构。DAMPE能够测量高达100 Te V的核子宇宙线。地面宇宙线实验测量能段偏高,且难以准确区分宇宙线的各种组分。DAMPE可以实现地面探测和空间探测在能谱上的衔接,并且能够区分宇宙线组分。

超大质量黑洞是宇宙中广泛存在的一类天体,它们的质量是太阳的几十万至数百亿倍,几乎在每个大星系、包括人类身处的银河系中心,都存在至少一个这样的黑洞。有些巨型黑洞在宇宙极早期就已经存在,它们如何形成、演变、反作用于星系,至今仍是未解之谜。但人类研究这些硕大的“宇宙妖怪”并非毫无办法。

科学家已经发现,有一部分超大质量黑洞并非一直悄无声息,而会肆无忌惮地“大吃大喝”:它们吞噬的物质聚集形成吸积盘、并且产生强有力的喷流,使黑洞表现得异常明亮。这一类天体也被称作活动星系核,它们正是人类解开黑洞之谜的钥匙。

CTA 102就是一个著名的活动星系核。它于1963年被首次发现,其黑洞质量约为太阳的8.5亿倍,与太阳系距离约为80亿光年。科学记录显示,CTA 102上一次比较剧烈的活动发生在2012年。

我国于2015年底发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”,主要目标就是通过空间观测宇宙射线和伽马射线,来探索宇宙暗物质和类似黑洞这样的宇宙“妖怪”。紫金山天文台暗物质卫星团队介绍,自今年10月以来,“悟空”频繁捕捉到来自CTA 102的伽马射线辐射。特别是11月23日以后,“悟空”记录到明显增强的伽马射线爆发现象,这一爆发在12月16日达到峰值。记录到的最高光子能量约620亿电子伏特,相当于静止质子等效能量的66倍。

这一观测结果也得到其他设备的印证。紫金山天文台1米近地天体巡天望远镜也观测到CTA 102的此轮爆发。根据望远镜记录,今年6月18日至12月20日之间,CTA 102亮度持续增强。

“CTA 102是‘悟空’捕获的第一个‘小妖’,我们将持续监测它的活动。相信借助‘悟空’的火眼金睛,未来还能‘抓获’更多的‘宇宙妖怪’,为人类认识宇宙万象提供有力的帮助。”暗物质卫星项目团队成员徐遵磊说。

一年多来,“悟空”发回了19亿个粒子数据。其中,5GeV到10TeV区间的高能电子数量已经超过100万个。

2017年11月30日,国际权威学术期刊《自然》在线发表,暗物质粒子探测卫星“悟空”有充分数据证实,在太空中测量到了电子宇宙射线的一处异常波动。这一波动此前从未被观测到,意味着中国科学家取得一项开创性发现,且有可能与暗物质相关。


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