Una galassia ‘in forma’ ma non ditelo ad Einstein

C’è stata un’epoca, quando l’universo aveva circa un quarto della sua età attuale (oggi fissata a 13,7 miliardi di anni) in cui le galassie hanno ‘messo il turbo’ e sfornato nuove stelle ad un ritmo molto più elevato di quanto non facciano oggi. Il perché di questo ‘baby boom’ stellare non è ancora ben chiaro agli astronomi che, date le enormi distanze in gioco, hanno parecchie difficoltà nello studiare galassie così lontane nel tempo: ovviamente, questi oggetti celesti ci appaiono molto piccoli e molto deboli, ma in più gran parte delle giovani stelle al loro interno non può essere osservata direttamente, perché la radiazione prodotta viene assorbita dal gas e dalle polveri che le circondano e riemessa alle lunghezze d’onda del lontano infrarosso.
Uno dei migliori strumenti al mondo per questo tipo di indagini è senza dubbio ALMA, l’Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array dell’ESO, che si trova nel nord del Cile, sull’altopiano di Chajnantor a 5.000 metri di altitudine. I dati raccolti dalle antenne di ALMA possono essere combinati insieme ed ottenere immagini di risoluzione altissima, migliore di un decimo di secondo d’arco. Tuttavia, anche spremendo al massimo questo gioiello della tecnologia, non riusciamo a studiare in modo dettagliato remote galassie nel pieno della loro attività di formazione stellare.
Ma, a volte, dove non arriva la nostra tecnologia, c’è la natura stessa a fornirci un prezioso aiuto. «In una recente conferenza, gli scienziati del team ALMA hanno presentato dei dati utilizzati per testare le capacità scientifiche dello strumento, e tra essi c’era l’immagine di un sistema soggetto al fenomeno dello strong lensing gravitazionale, che ha immediatamente attirato il nostro interesse», ricorda Simona Vegetti, ricercatrice post-doc presso Il Max Planck Institute für Astrophysik (MPA), in Germania. «Grazie a questo effetto, la radiazione della galassia lontana è amplificata di ben 17 volte, ed è proprio grazie ad esso che riusciamo a vederla. Sfruttando le osservazioni a grande risoluzione angolare di ALMA, abbiamo così avuto la possibilità di indagare e osservare per la prima volta i dettagli nella distribuzione della sua polvere».
Lo strong lensing gravitazionale è l’effetto prodotto da un oggetto celeste di grande massa, come ad esempio una galassia, quando si trova lungo la linea di vista tra una sorgente luminosa e l’osservatore. Secondo la Teoria della Relatività Generale formulata da Einstein infatti, qualunque corpo celeste dotato di massa provoca una deflessione dei raggi luminosi che passano nelle sue vicinanze per effetto della sua forza di attrazione gravitazionale. In caso di particolare allineamento tra sorgente luminosa, “lente gravitazionale” e osservatore, la luce della sorgente viene focalizzata, analogamente a quanto succede quando si utilizza una normale lente, e la sorgente ci appare molto più luminosa di quanto sia in realtà.
La natura però, ci da sì una mano, ma non può far miracoli: la distribuzione di massa nella “lente gravitazionale” non è omogenea, e così l’immagine della galassia distante, denominata SDP.81, è pesantemente distorta. Quello che si può fare per ovviare al problema è ricavare come è distribuita la materia nella lente e, in base a queste informazioni, ricostruire l’immagine vera – ossia non distorta – della galassia amplificata. «I precedenti tentativi in questo senso assumevano che le galassie amplificate dal lensing fossero piatte e regolari», spiega Matus Rybak dell’MPA, che ha effettuato ricostruzione al computer dell’immagine della galassia SDP.81. «Questa ipotesi  sembra risultare una pessima approssimazione per la struttura di una galassia in piena attività di formazione stellare, e le immagini non ancora elaborate di ALMA avevano già dato indizi chiari che questa sorgente è assai complessa. Il nuovo metodo che abbiamo sviluppato, più generale, si adatta decisamente meglio a sistemi irregolari».
Un punto di vista confermato dalla immagine finale della galassia SDP.81 ricostruita con questo metodo, che mostra come la formazione stellare sia concentrata in tre regioni distinte di questo oggetto celeste. «E’ la prima volta che siamo in grado di individuare strutture nella emissione di polvere da una galassia distante 11 miliardi di anni luce su scale più piccole di 150 anni luce» sottolinea Simona Vegetti. Il periodo cosmico in cui la stiamo osservando è proprio quello in cui, tipicamente,  le galassie stavano dando il loro meglio nel formare nuove stelle. E anche SDP.81 si è rivelata all’altezza delle spettative, creando ogni anno stelle per una massa complessiva pari a circa 300 volte quella del nostro Sole. In confronto, nella nostra Galassia, l’attuale tasso di formazione stellare è circa cento volte più basso. Ma questa accurata ricostruzione sta fornendo agli astronomi anche altre preziose informazioni, indicando che la galassia potrebbe essere costituita da un disco rotante e un nucleo centrale visti quasi di taglio o che si tratti di un sistema più complesso dove due galassie si stanno fondendo, ma in cui i singoli componenti sono ancora visibili. Quale sia il vero scenario ce lo diranno, presto, i risultati di ulteriori indagini, condotte sempre con ALMA, che sono in corso di elaborazione.
di Marco Galliani (INAF)

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Protoammassi, i dinosauri del cosmo

Sono grandi, grandissimi, immensi. Più di loro c’è solo l’universo. Eppure, per individuarli con certezza, si è reso necessario lo sforzo congiunto dei due gioielli a infrarossi e microonde dell’Agenzia spaziale europea, i satelliti gemelli Herschel e Planck. Stiamo parlando di ammassi di galassie: le strutture gravitazionalmente legate più estese che si possano osservare nel cosmo. O meglio, dei loro antenati, visto che i 234 esemplari rinvenuti – e identificati – dalla coppia di telescopi spaziali dell’ESA nelle profondità della radiazione submillimetrica risalgono a quando l’universo aveva appena tre miliardi di anni. Creature “preistoriche” che gli astronomi chiamano protoammassi di galassie: l’anello mancante fra quelle chiazze colorate che nelle mappe del fondo cosmico a microonde di Planck rappresentano regioni primordiali ad alta densità e gli attuali ammassi di galassie. Per individuarli e identificarli, dicevamo, si è dovuto far ricorso ai “gemelli” Herschel e Planck. Gemelli eterozigoti, occorre sottolineare: lanciati da mamma ESA lo stesso giorno, a bordo dello stesso vettore, per trascorrere la loro breve esistenza operativa fianco a fianco in L2, il punto lagrangiano secondo, Herschel e Planck sono – o meglio, erano, dato che ora sono entrambi in pensione – al tempo stesso profondamente diversi e perfettamente complementari: teleobiettivo a infrarossi il primo, grandangolo a microonde il secondo, messi insieme diventano lo strumento ideale per i paleontologi del cosmo. E così infatti è stato. La prima mossa è toccata a Planck. Capace proprio per l’ampiezza del suo sguardo d’osservare l’intero cielo a lunghezze d’onda millimetriche e submillimetriche (quelle tipiche dei segnali che ci giungono dall’alba dell’universo), ha stilato la lista dei sospetti: un catalogo di 234 zone primordiali ad alta densità di materia barionica, dunque potenziali antichi ammassi di galassie. Candidati protoammassi, in gergo astrofisico. Quindi si è passati alla seconda fase: l’interrogatorio e la conseguente identificazione, uno a uno, di tutti i sospettati. «Abbiamo dato in pasto a Herschel, quand’ancora era operativo, il catalogo di questi candidati protoammassi così da poterli osservare a più alta risoluzione», spiega uno dei coautori dello studio appena pubblicato su Astronomy & Astrophysics, Mattia Negrello, ricercatore all’INAF di Padova, «e questo ci ha permesso di dimostrare che erano di fatto costituiti da tante galassie individuali. Galassie che, com’è emerso analizzando i dati di Herschel, si trovano a distanze molto simili: la loro luce, in particolare, è stata emessa quando l’universo aveva attorno ai 3 o 4 miliardi di anni». Insomma, oggetti veramente primordiali. Una scoperta destinata ad avere importanti conseguenze sui modelli di formazione galattica, questa realizzata grazie alla coppia di gemelli ESA. Il fatto che le galassie presenti nei protoammassi, dunque nelle primissime fasi della loro formazione, potessero già raggiungere tassi di formazione stellare e quantità di polveri così elevate, e in tempi scala così rapidi, è sorprendente. Ricadute per l’astrofisica, dunque, ma anche per la cosmologia. «Anche solo il semplice numero per unità di volume di questi protoammassi», osserva infatti Negrello, «può essere un indicatore a favore d’un modello cosmologico rispetto a un altro, perché l’abbondanza di questi ammassi dipende anche dalla geometria dell’universo».
di Marco Malaspina (INAF)

Un nuovo studio sulla nebulosa Zampa di Gatto

Un studio su , meglio nota come la nebulosa Zampa di Gatto e che si trova a circa 5.500 anni luce nella costellazione dello Scorpione, ha permesso di analizzare come i campi magnetici influenzano la formazione stellare su regioni spaziali di varie dimensioni, che vanno tipicamente da diverse centinaia di anni luce fino a qualche frazione di anno luce. Si stima che la quantità di materia presente nella nebulosa sia pari a circa 200 mila masse solari e che si stia addensando per formare nuove stelle, fino a 30-40 volte più grandi del Sole.
Le stelle iniziano a formarsi quando la forza di gravità agisce sul materiale attirandolo all’interno di enormi nubi di gas e polveri. Tuttavia, la gravità non è l’unica forza che entra in gioco durante questo processo. Infatti, una serie di fenomeni turbolenti combinati con l’intensa attività dei campi magnetici si oppongono all’attrazione gravitazionale perturbando la dinamica del gas.
I ricercatori sono stati in grado di misurare l’orientamento dei campi magnetici all’interno della nebulosa. «Abbiamo trovato che la direzione del campo magnetico viene mediamente preservata su tutte le regioni che hanno varie dimensioni spaziali, implicando che i fenomeni legati alla turbolenza presenti nella nube non riescono più di tanto ad alterare in maniera significativa la direzione del campo magnetico», spiega Hua-bai Li della The Chinese University of Hong Kong e autore principale dello studio, pubblicato su Nature, che ha condotto le osservazioni ad alta risoluzione. «Anche se sono molto più deboli di quello terrestre, questi campi magnetici cosmici hanno un effetto importante nel regolare i processi di formazione stellare», aggiunge T.K. Sridharan del Center for Astrophysics (CfA) e co-autore dello studio.
Gli astronomi hanno poi analizzato la luce polarizzata dovuta alla polvere presente all’interno della nebulosa utilizzando vari strumenti tra cui, in particolare, lo Smithsonian’s Submillimeter Array (SMA). «La capacità unica di SMA, attraverso cui è stato possibile misurare la polarizzazione con una elevata risoluzione angolare, ci ha permesso di analizzare i campi magnetici su scale spaziali più piccole», dice Ray Blundell, del CfA e direttore di SMA, che non ha partecipato allo studio. «SMA ha portato davvero un grosso contributo in questo campo di ricerca che continua con questo lavoro», osserva Qizhou Zhang del CfA e co-autore dello studio.
Dato che i granelli di polvere si allineano lungo il campo magnetico, i ricercatori hanno sfruttato l’emissione della polvere per determinare la geometria del campo magnetico. L’analisi dei dati indica che i campi magnetici tendono ad allinearsi nella stessa direzione, anche se la dimensione relativa delle regioni spaziali esaminate differisce di qualche ordine di grandezza. I campi magnetici diventano invece disallineati solo su scale più piccole, ossia in quei casi in cui avvengono tutta una serie di processi dinamici più caotici a seguito della formazione stellare.
Il risultato più significativo che emerge da questo lavoro riguarda la misura, per la prima volta, dei campi magnetici in regioni spaziali di varie dimensioni presenti in un oggetto astrofisico. Quando una nube molecolare collassa sotto l’effetto della gravità per formare le stelle, i campi magnetici ostacolano il processo che diventa così più lungo in termini temporali. Come conseguenza di ciò, solo una frazione del materiale contenuto nella nube sarà destinata per la formazione stellare mentre il resto verrà disperso nello spazio dove rimarrà a disposizione per dar luogo a nuove generazioni di stelle.
Infine, secondo gli autori, i risultati di questo lavoro potranno avere delle implicazioni importanti per ricavare altri indizi sulla storia evolutiva della nostra galassia.
di Corrado Ruscica (INAF)

Cassini fotografa la luna Rea

La sonda della NASA Cassini è tornata ad orbitare attorno al piano equatoriale di Saturno questo mese e dopo due anni può di nuovo osservare e studiare le lune del sesto pianeta del Sistema solare (prima, infatti, la sonda volava in prossimità dei poli di Saturno con un’orbita molto inclinata, denominata Rev 213 al centro di controllo della missione). Per festeggiare questo grande ritorno, lo scorso 9 febbraio Cassini ha effettuato un flyby (che in gergo tecnico significa volo ravvicinato) con una delle lune ghiacciate di Saturno, Rea, anche se in questi mesi la sonda ha comunque effettuato flyby attorno a Titano (anche per avvicinarsi man mano al piano equatoriale). Le immagini che vedete qui sopra sono state scattate in due momenti diversi (con un intervallo di circa un’ora e mezza) da 80.000 a 50.000 chilometri di distanza dalla luna.

Crediti: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute. Autori: Heike Rosenberg eTilmann Denk della Freie Universität a Berlino
Per dimensioni, Rea è il secondo satellite naturale di Saturno e il nono del Sistema solare. Questa luna fu scoperta il 23 dicembre 1672 dall’astronomo italiano Giovanni Domenico Cassini (a cui appunto è stata dedicata la missione della NASA), ma in passato è sempre stata chiamata Saturno V (mentre Titano era Saturno 1).
Le immagini sono state scattate usando la narrow-angle camera (NAC) e migliorate con i dati provenienti dalla wide-angle camera. Sono stati usati diversi filtri spettrali (infrarosso, ultravioletto, verde e trasparente) e i dati sono stati poi uniti per creare questo mosaico unico nel suo genere, soprattutto perché a colori. Quella che vedete, infatti, è una gamma estesa di colori visibili all’occhio umano per evidenziare le differenze sottili di colore in tutta la superficie della luna ghiacciata. La superficie della luna è abbastanza uniforme se vista nel suo colore naturale.
Entrambe le immagini sono ricostruite con il metodo delle proiezioni ortografiche: esse ci restituiscono una visione di Rea proprio come se noi la stessimo osservando dalla Terra con l’ausilio di un potentissimo telescopio. L’immagine più piccola sulla sinistra è centrata a 21 gradi di latitudine nord, 229 gradi di longitudine ovest e la risoluzione è di 450 metri per pixel. L’immagine sulla destra è una di quelle a più alta risoluzione (300 metri per pixel) della luna Rea ed è centrata a 9 gradi di latitudine nord, 254 gradi di longitudine ovest.
di Eleonora Ferroni (INAF)

Mercurio? Le comete lo hanno fatto nero

Anche Mercurio usa un opacizzante. Non che abbia la pelle grassa, intendiamoci. Ma vicino al Sole com’è, se non adottasse alcun accorgimento, sai che effetto lucido? E invece guardatelo: il suo bel volto asciutto riflette persino meno di quello della Luna.
Qual è il suo segreto? È già da un po’ che gli astronomi se lo chiedono. Per la precisione, da quando la sonda MESSENGER della NASA, che gli orbita attorno dal 2011, analizzando lo spettro della luce riflessa dalla superficie del pianeta ha confermato l’assenza della riga d’assorbimento a 1 micron: quella caratteristica dei silicati che contengono ferro, presente nella radiazione infrarossa riflessa dalla Luna e dagli asteroidi. Se non c’è quella riga, sostengono i ricercatori, significa che sulla superficie di Mercurio l’ossido ferroso – presente nello strato di polvere nera che abbatte, appunto, la riflettanza della Luna – non supera il 2-3 percento. Troppo poco per giustificarne l’opacità.
E allora? Un “fondotinta opacizzante” alternativo per il volto di Mercurio potrebbe essere la polvere di cometa. O meglio, la polvere di carbonio – perlopiù sotto forma di grafite o amorfo, ma gli scienziati non escludono che almeno una frazione sia costituita da nanodiamanti – portata da micrometeoriti d’origine cometaria. Questa l’ipotesi esplorata e descritta sull’ultimo numero di Nature Geoscience da un team guidato da Megan Bruck Syal, ricercatrice al Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), in California.
Stando ai loro calcoli, il suolo di Mercurio contiene, per unità di superficie, una quantità di materiale ricco di carbonio circa 50 volte superiore a quella presente sul suolo lunare. Questo a causa degli impatti con le comete, ricche di carbonio e presenti in quantità inversamente proporzionale alla distanza dal Sole – dunque con una frequenza delle collisioni assai più elevata su Mercurio che sulla Luna. E ancor di più a seguito d’impatti con micrometeoriti, originati a volta in prevalenza dalle comete, come mostrano le analisi effettuate sui campioni raccolti sulla Terra, in particolare in Antartide. L’ipotesi è stata messa alla prova con una serie d’esperimenti di laboratorio nei quali, avvalendosi dell’Ames Vertical Gun Range della NASA, Syal e colleghi hanno riprodotto impatti a ipervelocità con micrometeoriti, ottenendo una colorazione della superficie di collisione analoga a quella del volto di Mercurio.
di Marco Malaspina (INAF)

Risorgive d’acqua su Marte

L’Arabia Terra su Marte, così denominata da Giovanni Schiaparelli nel XIX secolo per qualche ravvisata similitudine con la penisola arabica terrestre, è un altopiano nell’emisfero settentrionale marziano, fittamente ricoperto di crateri e fortemente eroso. Caratteristiche che lo denotano come molto vecchio, e in effetti gli scienziati ritengono che sia uno dei terreni del Pianeta Rosso che hanno avuto origine in epoca più antica.

Vista ravvicinata del cratere Firsoff ottenuta di recente dalla camera HiRISE a bordo della sonda MRO della NASA. L’immagine copre circa 700 metri in lunghezza. Crediti: NASA / MRO / HIRISE / Jim Secosky
Un gruppo di geologi, molti dei quali italiani, hanno analizzato una serie di sedimenti nell’Arabia Terra, giungendo alla conclusione che tali strati si sono molto probabilmente formati in presenza di acque freatiche. I ricercatori, guidati da Monica Pondrelli della International Research School of Planetary Sciences, all’Università Gabriele d’Annunzio di Chieti-Pescara, hanno pubblicato il resoconto delle loro studio sulla rivista GSA Bulletin.
Come sulla Terra, anche su Marte le rocce disposte a strati possono avere diverse origini: vulcani, acqua, vento. Con l’occhio del geologo, Pondrelli e colleghi hanno esaminato i depositi stratificati (detti ELD, Equatorial Layered Deposits) di Arabia Terra nella zona del cratere Firsoff, per cercare di definire le loro geometrie, la loro età a la loro composizione.
«Gli ELD sono dei depositi stratificati chiari (ovvero ad alta albedo) presenti in varie zone di Marte», spiega Pondrelli a Media INAF. «Noi ci siamo concentrati su quelli di una zona chiamata Arabia Terra, dove questi depositi sono presenti dentro e fuori dai crateri, con morfologie differenti. Dentro ai crateri formano dei rilievi anche di diversi chilometri di spessore. Si tratta di depositi contenenti solfati, equivalenti come età ad altri depositi simili trovati in varie zone di Marte, risalenti a 3-3,5 miliardi di anni fa. La forma che assumono questi depositi dentro i crateri lascia pensare che si siano formati a seguito della fuoriuscita di acqua dal sottosuolo, avvenuta lungo fratture e attraverso vulcanetti. Fuori dai crateri, invece, i depositi sono un po’ diversi, più a forma di dune».
Il gruppo di ricerca ha interpretato lo scenario dei depositi dentro i crateri come controllato dalla presenza d’acqua di falda che, raggiunta la superficie, evapora, depositando i sali minerali in essa contenuti. Questo fenomeno di sedimentazione avverrebbe più facilmente all’interno dei crateri a causa della loro profondità, che li avvicina alla falda acquifera, mentre fuori dai crateri la precipitazione di minerali sarebbe decisamente più limitata, simile a quella che sulla Terra avviene negli ambienti sedimentari desertici modellati dal vento, con la formazione di dune o di depositi pianeggianti (le cosiddette playa).
«Questo comporterebbe quindi”, aggiunge Pondrelli, “la presenza di una o più falde ricche in acqua al momento della formazione di questi strati. In questa specifica fase della storia di Marte, perlomeno nella zona in analisi, non si riscontra la presenza di fiumi, laghi od oceani alimentati da acqua piovana, ma di acqua che proviene dal sottosuolo e rimane in superficie per breve tempo».
In conclusione, Pondrelli nota come in depositi sedimentari simili sul nostro pianeta, formatisi in presenza di un ciclo idrogeologico a temperature superficiali sopra lo zero, siano stati trovati resti riferibili ad attività batterica. Questo potrebbe anche significare nulla, conclude la ricercatrice, ma certamente vale la pena di investigare più a fondo. Non a caso, la zona del cratere Firsoff è nella lista dei possibili obbiettivi per una futura missione su Marte. Foto: vista ravvicinata del cratere Firsoff ottenuta di recente dalla camera HiRISE a bordo della sonda MRO della NASA. L’immagine copre circa 700 metri in lunghezza. Crediti: NASA / MRO / HIRISE / Jim Secosky
di Stefano Parisini (INAF)

Esopianeti: è come in Guerre Stellari

Il tramonto magico di due soli infuocati nel cielo, le dune spoglie di un deserto lontano, il caschetto biondo di Luke Skywalker e la sua inconfondibile palandrana da karateka del futuro. Ce lo ricordiamo così Tatooine: il pianeta desertico in orbita di un sistema stellare binario, nel bel mezzo dell’universo fantascientifico di Guerre stellari immaginato da George Lucas.
Un sogno che diventa realtà nei risultati di una modellizzazione matematica appena sottoposta a The Astrophysical Journal, ma già disponibile in versione unreviewed su ArXiv. Tatooine esiste. Ed è in buona compagnia. Il pianeta natale della famiglia Skywalker, dove sono nati Shmi, Anakin e dove è cresciuto Luke, è abitabile anche nell’universo di atomi e molecole che abitiamo noi.
E se il doppio tramonto di un esopianeta appartenente a un sistema binario non è ancora un’evidenza scientifica, sarebbe esclusivamente dovuto al fatto che finora, solo pianeti gassosi e giganteschi sono stati rilevati nell’orbita di questi sistemi.
E poco importa se esiste un nutrito gruppo di ricercatori convinto che mai in determinate condizioni possa verificarsi l’opportunità di inciampare in un pianeta roccioso. Simulazioni matematiche mostrano il contrario, e che pianeti solidi come Tatooine possano in realtà essere molto più comuni di quanto si possa pensare.
«Le cose non vanno molto diversamente dalla formazione planetaria attorno a una singola stella», spiega Ben Bromley, fra i firmatari dello studio condotto dall’Università dello Utah e dallo Smithsonian Astrophysical Laboratory. «La peculiarità che rende unico il Tatooine di Guerre Stellari potrebbe essere una caratteristica comune a molti sistemi planetari».
Ma quanto si divertono i ricercatori? Tanto. A partire dal titolo dello studio: Planet formation around binary stars: Tatooine made easy. Come a dire un Tatooine per tutti. Meno potabili le formule matematiche di cui è pieno l’articolo e che dimostrano come pianeti rocciosi possano vivere bene nel sistema di stelle binarie.
Il telescopio spaziale NASA Kepler ha già portato a casa i risultati di oltre mille esopianeti, in orbita attorno a stelle lontane. Alcuni di questi galleggiano dalle parti della cosiddetta fascia di abitabilità. Sette di questi sono nell’orbita di un sistema binario. Nessuno di questi è roccioso.
«Si tratta in tutti i casi di giganti gassosi», spiega Bromley. «Individuare pianeti tutto sommato piccolini come la nostra Terra è ben più complicato».
Nell’attesa di trovare un Tatooine in sassi e roccia, prossimamente, possiamo comunque gustarci il sospirato episodio 7 di Guerre Stellari in uscita il prossimo Natale. Il pianeta che ha visto crescere Luke Skywalker, e dove il piccolo Jedi ha conosciuto per la prima volta il maestro Obi-Wan Kenobi, il comandante del Millenium Falcon Ian Solo, le forme generose della principessa Leila in catene per Jabba the Hutt, ci riserva ancora tante sorprese.
di Davide Coero Borga (INAF)

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