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天文大发现2
2008年08月30日 星期六 下午 08:11
发现海王星
在土星之外的一个行星是1781年偶然发现的。英国天文爱好者威廉•赫歇耳喜欢磨制反射望远 镜,1781年他用自制的望远镜巡天观测时发现了一个有视面的天体,他认为是一个彗星。当他把详细的观测资料不断送往英国皇家学会时,皇家格林尼治天文台 第五任台长马斯克来恩(1732~1811年),感到这个天体的轨道似乎为圆形,它可能是一个行星。法国和英国的许多天文学家也纷纷向赫歇耳索取进一步的 观测资料,许多人计算了它的轨道,包括拉朗德 (1732~1807年)、拉普拉斯(1749~1827年)等著名天文学家,大家终于确认赫歇耳发现的天体是太阳系里的又一个行星。这是有史以来人们第 一次发现新的行星,它的轨道半径差不多是土星的二倍,这一下子使太阳系的边界向外扩大了一倍。许多人建议将该行星命名为赫歇耳,他本人则提议起名为“乔治 星”,以表示对英王乔治三世的敬意。最后,德国柏林天文台台长波德建议以希腊神话优纳那斯神来命名,这就是天王星。
到了1821年,有个法国 人叫布瓦德,他将1781年以来40年的天王星资料进行了一番细致的推算。这一算却意外发现天王星总也进不了开普勒的轨道。他又将1781年以前的观察资 料(当时人们是将它错当恒星记录的)再算一遍,又是另一个轨道。事情又过了10年即 1830年,有人将天王星的运动轨道再算一遍,发现又是第三种样子。这下让天文学界大伤脑筋了,已平静200来年的天文界哗然起来,难道是哥白尼的假设、 开普勒的“立法”都错了?如果没有错,那就只有一种解释,就是天王星外还有一颗未发现的新星通过引力在影响客观存在的轨道。但是经过80年的探索,却杳无 踪影。因为,天王星距太阳约28亿公里,如绕太阳一周,要用84年,如果它的轨道外再有一颗星,找起来简直是大海捞针了。
19世纪40年代, 几乎全世界的天文学家都在为找这个暗藏的星星而绞尽脑汁。原来在宇宙中,这一颗星会对附近的另一颗星的运动轨道发生影响,这叫摄动。根据开普勒等人在理论 上的发现,在当时对已知星计算摄动是不成问题的。现在要反过来,靠这么一点点的摄动去推算那颗未知的新星,这里面有许多的未知数,简直无从下手。因此寻找 这颗新星既像是要去抱一个金娃娃使人急不可待,又像是要去捉一只虎,令人想而生畏。一时整个天文界,整个天文体系,都让这颗星搅得心神不安。1846年9 月23日,德国柏林天文台的老台长加勒正坐在自己的办公室里,侍者送进来一封信。此信是从法国寄来的,落款是一个陌生的名字:勒维烈。当他拿起信来仔细一 读,不觉大吃一惊:
“尊敬的加勒台长:请你在今天晚上,将望远镜对准摩羯座δ星(中文垒壁阵四)之东约5°的地方,你就会发现一颗新星。它就是你日夜在寻找的那颗未知行星,它小圆面直径约3角秒,运动速度每天后退69角秒(一周天360度,1度=60角分,1角分=60角秒)……”
满头银发的加勒读完信后,不禁有点发楞。他心里又惊又喜,是谁这么大的口气,难道他已观察到这颗星了?不可能,这个未出名的小人物不可能有很好的观察设备,但是他又怎么敢预言得这样具体呢?
好不容易,加勒和助手们熬到天黑,便赶紧将望远镜对准那个星区。果然发现一个亮点,和信中所说的位置相差不到一度。他眼睛紧贴望远镜,一直看了一个小 时,这颗星果然后退了3角秒。“哎呀!”这回加勒台长几乎跳了起来喊到。那个陌生人竟预言得连1角秒都不差!大海里的针终于捞到,加勒和其助手们狂呼着拥 抱在一起。几天后他们向全世界宣布:又一颗新行星被发现!它的名字取做海王星。
一个月后,加勒匆匆赶到巴黎,按照地址找到了一个实验室里,急 切地要见那个叫勒维烈的写信人。这时,桌边一位 30岁左右的小伙子羞涩地站起说:“如果我没有猜错。你就是从柏林来的加勒先生,我就是给你写信的勒维烈。”加勒这回更加惊诧,他万万没料到指点他发现海 王星的竟是这么一个年轻人。他一下扑上去,和他紧紧地拥抱,然后迫不及待地说:“你太伟大了,太了不起了,请让我参观一下你的仪器,你的设备。”小伙子还 是羞涩地笑了笑,然后从抽屉里取出一大本计算稿纸说:“我是用笔算出来的。”
“请您介绍一下您的算法。”
“其实也没有什么。我研究了一下其他行星与太阳之间的距离,木星、土星和天王星轨道的半径差不多后一个都是前一个的二倍,于是我就设未知星半径,也是天王星的两倍,再列出方程。算出的结果和观察当然还有误差,但经过修正,再算、再修正,再计算,逐步接近。”
“算了多长时间?”
“我也记不清了,大概有好几年。”
“就这样直算到误差小到1角秒?”
“嗯。”勒维烈又是羞涩地点了一下头。
“小伙子,有毅力。这颗星终于让你摘去了。”加勒仔细地审查了这一堆稿纸:共33个方程。这位老天文学家感动了。他冒着寒风在星空下观察了一辈子而不得 其果,而这个未出茅庐的小伙子却用一支笔将结果精算于帷幄之中。科学的假设,科学的理论一旦建立,竟有如此伟大的神力啊!
发现海王星的消息传 开后,英国皇家天文台急急忙忙查找自己的资料,这时才发现正好也是一年前的9月里就有个叫亚当斯的青年也计算出了这颗新星的位置,并将结果转告给台长。但 这位皇家台长却瞧不起这个23岁的无名小卒,根本没有做认真的观察,以至在这场重要的竞争中,使法国人和德国人捷足先登了(不过后来在科学史上倒也承认这 海王星是他们两家同时发现的,勒维烈和亚当斯也成了好朋友。他们后来分别担任了巴黎天文台和剑桥大学天文台的台长)。哥白尼、开普勒的学说终因他们这一伟 大的发现而站稳了脚跟。后来恩格斯论及此事时特别感叹地说:“哥白尼的太阳系学说有300 年之久一直是一种假说,这个假说有百分之九十九,百分之九十九点九,百分之九十九点九九的可靠性,然而毕竟是一种假说,而当勒维烈从这个太阳系学说所提供 的数据,不仅推算出一定还存在一个尚未知道的行星,并且还推算出了这个行星在太空中的位置的时候,当后来加勒确实发现了这个行星的时候,哥白尼的学说就被 证实了。”
大气环流的奥秘
郑和七次下西洋以及地理大发现中的无数次海上远航,所使用的都是帆船,完全靠风力吹送。人们很早就发现 了,地球上有些地带刮风的风向几乎是全年恒定不变的,这称之为定向风。哥伦布是第一个全面了解并充分利用了大西洋有规律风系的航海家。他在发现新大陆前, 就已经有过好几次航海经验,他知道低纬度地区老是刮东风,中纬度地区则经常刮西风。所以哥伦布寻找新大陆的第一次航行,是沿着加那利群岛的纬度(约北纬 28°)巧妙地借助东风向西驶去。但在返回西班牙时,他精明地先向北行驶到亚速尔群岛的纬度(约北纬39°),然后才张满风帆,乘着浩荡西风返回欧洲的。
航海家们利用的这种低纬度东风,在南北半球都有,北半球以东北风为主,南半球以东南风为主,年年如此,挺讲信用的,因此被人们称之为信风。
当时的一些商人掌握了这个规律,基本都依靠信风的吹送,来往于海洋上进行贸易经商活动,因而这种风又被商人们叫做贸易风。
自从发现了新大陆以后,西欧的商人们便纷纷组织大批船队装运马匹运往美洲,因为在那儿原来没有马,运输和农耕都很不方便。然而奇怪的是,当船队沿着北纬 30°附近的大西洋航行时,常常遇到海面上死一般的寂静,没有风,闷热异常,帆船便只好无可奈何地在原地打转,乖乖等候顺风的到来,而有时一等就是10天 半月。时间长了,马匹因缺少淡水、饲料纷纷病倒、死亡,水手们一时吃不掉那么多马肉,最后不得不将死马成批抛进大海。当时人们恐惧地把这一无风地带叫做“ 马的死亡线”,又称“马纬度”。此外,赤道带也是个无风带。
但是如果船队跨过了马纬度,进入中纬度海域航行,在南北纬度40°~50°附近, 马上又会遇到与低纬度方向相反的西风。特别在南半球,这一纬度带没有大的陆地,海域非常辽阔,西风更为猛烈而且稳定,常常在海上掀起狂涛巨澜。1488 年,葡萄牙航海家迪亚斯指挥两艘小船,驶往非洲大陆最南端,当船只来到南纬40°附近时,一场巨大的风暴将这两叶小舟在大海上吹荡了整整16天,值得庆幸 的是最终他们被吹送到一个岬角上。心有余悸的迪亚斯还将这个岬角命名为风暴角(后葡萄牙国王认为这个岬角的发现,使通往富庶东方的航路有了打通的希望,改 名好望角)。南半球的西风带也因此而被人形象地称为“咆哮西风带”了。
随着航海事业的发展,人们更加急于了解,地球上为什么会有南北对称分布的定向风带及无风带,定向风为什么能这样信守自己的方向,又是什么力量掌握着定向风的方向呢?
首先发现信风的是英国天文学家哈雷,他因计算出一颗著名彗星的回归周期(76年)而享誉全球,这颗彗星后来就以他的大名命名。有人说他的伟大天才在于能 将复杂的资料整理出某种头绪来。他对地学也曾有过许多贡献,他首创用图表法来说明地球自然现象的地理分布。 1698~1700年他参加了为纯科学目标的第一次远航,并制成了世界上第一幅地磁变率图。1686年他在一本叫做《哲学学报》的杂志上发表他的信风理 论,综述了三大洋盛行的风,并附了一张风图。文中正确地描述和刻划了热带风的基本特征——赤道无风,赤道以北盛行东北信风,以南则为东南信风。他认为信风 的形成与太阳供给赤道较多的热有关。1688年,他又根据收集来的海洋上测风资料,绘出了北纬30°~南纬30°的世界上第一幅信风分布图。这种全球信风 分布图,由于来自于实践,有观测资料作为基础,因此在航海中起了很大作用。
当时人们都参照信风图来科学地安排航行,把从英伦三岛到澳大利亚之间的航期,由250多天缩短到150天左右。这件事激起了人们进一步研究贸易风的兴趣,积极收集资料,并作理论的探讨。
1735年,另一位英国天文学家哈得莱发表了《关于信风之起因》一文,正确地解释了信风现象,从而创立了经圈环流的理论,并修正了哈雷关于西风是因太阳 向西运行所造成的错误说法,而首次考虑由于地球自转对大气环流的影响。哈得莱认为,赤道地区接受的太阳热量要比极地多得多,因而赤道地区的空气受热变轻产 生上升运动,极地的空气受冷变重产生下沉运动。
这样高空空气就由赤道向极地补充,低层空气则由极地流向赤道,从而形成一个沿经线方向运动的闭 合的大环流圈。由于地球自转的影响,水平运动的物体都会发生偏向,在北半球向右偏,在南半球就向左偏。因此低层由极地流向赤道的气流就分别偏折成北半球的 东北信风和南半球的东南信风;而高空由赤道流向极地的气流也都受到偏折,而形成高空的西风带,因下沉作用,又形成中纬度的地面西风带。他的这种环流理论, 今天看来虽然相当粗糙,但在当时这个理论却成为日后气象学家研究大气环流的重要基础之一。为了纪念他的功绩,至今人们还把低纬度的经圈环流称为哈得莱环 流。
哈得莱考虑到了地球自转的因素,但当时他还没有发现造成物体偏向的力,这个力是由法国数学家和物理学家科里奥利提出的。科里奥利小时候很 喜欢郊游,经常跟着老师到野外观察。他发现北半球的大河,在两岸地质条件相似的情况下,总是右岸比左岸冲刷得厉害,这种奇怪现象在他幼小的心灵里便留下了 难以忘却的疑问。他长大后经过反复研究,证明这是由于地球的自转,在地球表面产生了一种能使运动物体的方向发生偏斜的力,并把它叫做地球自转偏向力。后来 人们为了纪念这种力的发现者,也把它叫做科里奥利力,简称科氏力。
曾经当过中学教师的美国人威廉•费雷尔,于1856年第一次把科氏力正确应 用于解释大气环流,他用数学方法证明风受地球自转影响而偏向。他指出,正是由于科氏力的作用,才使北半球低纬度地面的盛行风向由北风右偏为东北风,南半球 则由南风左偏为东南风。费雷尔还首次提出中纬度地区也存在一个经向环流圈,这里的近地面风向,原来是从低纬向高纬流动的,但由于科氏力的作用,北半球的南 风偏转成西南风,南半球的北风偏转成西北风,从而形成了中纬度地区的盛行西风带。由于这一环流圈的流向与哈得莱环流相反,所以人们称之为逆环流,同时也叫 做费雷尔环流。
后来人们又知道,高纬度也有一个经向环流圈,称作极地环流,在近地面所形成的风带叫极地东风带。这样,在每个半球上就有三个风 带。每两个风带之间是一个低气压带或高气压带。如北纬 30°附近就是副热带高气压带,盛行下沉气流,风力微弱,也便是过去曾闻之色变的“马纬度”。
宇宙流
爱好围棋的人都知道,日本著名的围棋手武宫正树的棋讲究规模的宏大,可以给人一种气势磅礴的感受,因而被称之为“宇宙流”。那么真正的天上的宇宙流是什么呢?那是描述星系的运动的,其规模,显然非武宫正树的“宇宙流”可比!
美国天文学家哈勃在研究了星系的运动之后,得出了著名的哈勃公式V=HR,即星系运动的速度与星系的距离成正比。但是后来的观测发现这并不是完全正确 的。由银河系,大、小麦哲仑云和仙女座大星云等星系组成的本星系团中一些星系与哈勃的计算值之间有每秒600公里的差值。1973年,天文学家发现在按哈 勃公式计算出的运动速度为每秒3500~6500公里的星系有一个约每秒800公里的速度差值,并且被后来红外线波段的观测所证实。
这些与哈勃流速不一致的星系运动,称之为“宇宙流”。但天文学家并不想就此收兵,他们希望找出星系宇宙流的规律来,以更好地研究大尺度范围内物质的运动。不过遗憾得很,直到现在为止,呈现在天文学家眼前的宇宙流还是杂乱的。
没有找到规律并不表明没有规律,只要是在宇宙中运动的物质,就一定有章可循。宇宙流所遵从的规律没有找到,说明宇宙流是一种大范围、多原因的运动。一旦这个规律被发现,就必将对人类的整个宇宙观带来深刻的变革。
星系冕
安徒生的童话《皇帝的新装》中,皇帝穿了被骗子裁缝称之为“愚蠢和不称职的人看不见的衣服”在大街上游行,其实他什么也没穿,出尽了洋相。
可宇宙中就恰恰有这样一种“帽子”,它环绕在星系之外,质量巨大,但用一般的方法却看不见,这就是星系之帽——星系冕。
既然看不见,又是怎样发现的呢?这是通过一种间接的方法发现的。1974年初,前苏联塔尔图天文台的天文学家对 100多个星系的运动速度随机变化进行分析,因为速度变化范围和质量有关,由速度变化范围分析结果发现星系外面尚有一个巨大的质量包层。随后,美国天文学 家也证实了前苏联人的这一发现。
星系冕的尺度非常巨大,占据了几十万到上千万光年的空间。星系冕的质量与星系的质量和光度有关,若星系质量和光度越大,那么星系冕的质量就越大。我们银河系的冕的质量约是1000亿个太阳质量。大的星系的星系冕质量可达到银河系冕的10~30倍。
星系冕的发现有极其重要的意义,它说明宇宙中物质可能绝大部分是以我们看不见的物质形态存在,形成为可见星系或恒星的,则只是其中的一小部分。星系冕的存在,使星系的质量就比原来估计的要大,于是,自吸引力增大,物质更难跑出去,从而星系就可能更稳定。
第2051号小行星
1902年2月16日,张钰哲出生在福建省闽侯县。他在小学和中学时代,学习成绩一直都很好。1919年以优异的成绩考入清华学堂高等科,1923年毕业后即去美国留学。他选择了古老而有趣的天文学作为自己学习、研究的对象,并把毕生的精力都倾注于这门学科的研究上。
1925年张钰哲进入美国芝加哥大学天文系学习,两年后获硕士学位;接着,他一面在叶凯士天文台作小行星和彗星的照相观测工作,一面继续学习,攻读博士 学位。在这期间,他通过连续的观察和计算,成功地发现了一颗新的小行星,从此结束了小行星由外国人发现的历史,为我国当时极其落后的天文事业争得了荣誉。 为了表示对远隔重洋的祖国的怀念,张钰哲把他发现的小行星命名为“中华”。
1929年,张钰哲以《有一定平面的双星轨道极轴指向空间的分布》的论文获得博士学位。学成归国时,他到威尔逊天文台、罗威耳天文台、立克天文台及加拿大维多利亚天文台进行了参观访问,以便回国后在中国创办天文台时有所参考借鉴。
1946年,张钰哲再度赴美考察,观测中发现了一颗新变星,并在美国天文学会年会上宣读了题为《新的食变星的速度曲线》的论文,同时对许多其他问题也做了进一步的探讨和研究,为紫金山天文台的重建做好了准备工作。
南京解放后,张钰哲担任了中国科学院紫金山天文台台长,从1949年底开始,他全身心致力于小行星和彗星的观测研究,开展了小行星轨道测定、摄动计算和 改进轨道方面的计算研究。30年来,张钰哲和他领导的行星研究室总共获得了五六千次小行星的成功观测,陆续发现了几百颗星历表上未有编号的小行星,有的已 用我国古代天文学家和省市的名字来命名。
张钰哲以毕生精力致力于祖国天文事业,他治学严谨,事必躬亲,不仅勤于观测,而且勤于理论研究和著作编译工作。
国际天文协会为了表彰他在小行星研究和其他方面的贡献,特意把1976年10月23日美国哈佛天文台所发现的2051号小行星命名为“张”,以作为永久的纪念。
织女难会牛郎
古代人以夜空的繁星为题材,创造出许多美好动人的神话故事,关于牛郎和织女的传说便是其中之一。据说,勤劳的牛郎是人间的普通村夫,而织女却是西天王母 娘娘最宠爱的孙女儿。织女心不甘天宫寂寞,动了凡念,私自下凡与牛郎结为夫妇。此事犯了天上神仙们的法律,玉皇大帝派天兵天将把织女捉回天上。牛郎挑着担 子,一边坐着女儿,一边坐着儿子,在后面飞快地追赶。眼看着牛郎就要追上织女了,王母娘娘从头上拔下碧玉簪,在牛郎和织女之间轻轻地一划,立即出现了一条 波涛汹涌的天河,把一对有情人永远地隔开了。然而,情之所钟,惊天动地。天上的神鹊非常同情织女和牛郎,每年的农历七月初七,它们飞临天河上空,架起鹊 桥,让织女和牛郎相聚一宵。
古老神话那令人倾倒的巨大魅力,在现代天文知识面前显得黯然失色。
今天,观测的结果告诉我们,即使在 织女星和牛郎星上真有本领高强的“神仙”,他们想要每年聚首一次也是根本不可能的。织女星距地球约26光年,每秒走30万公里的光也要跑26年之久。牛郎 星距地球17光年左右;织女星和牛郎星则相距14光年以上。换言之,以目前所知最快的宇宙速度——光速飞行,从织女星到牛郎星也要14年多的时间。
当然,织女星和牛郎星上也根本不存在任何生命,它们都与太阳类似,是炽热的恒星。织女星表面的温度约 9000℃,比太阳表面高3000℃左右;直径约400万公里,差不多为太阳的3倍;它的体积差不多是太阳的24倍。牛郎星表面温度有7000℃上下,比 太阳表面也高出1000℃左右。
可是,织女星好像与地球上的人类结下了不解的缘份,据天文学家预测,随着天体的运动,斗转星移,特别是随着地轴倾斜角度的缓慢变化,到公元14000年的时候,今日的织女星,将正好位于地球北极的上空,成为新的、明媚的北极星。
小熊星座
星星的知名度并不和它们的亮度成正比例的关系,有些星的知名度和它所占据的位置关系密切。最典型的例子就要算是小熊星座了。
社会历史发展的特殊机缘,使北半球的文明最早兴起,并得以延续下来。
至少在公元前10世纪之前,中国、巴比伦、埃及、希腊等地的先民就开始了各具特色的天文观测。在所有这些观测中,人们总是注意到一颗不太明亮的星,它永 远处在北方天空中的固定位置上,于是给它起名为北极星。北极星,几乎在地球北极的正上方,数个世纪以来,它为航海者指示着航向。在一般的测量中,北半球的 人还可以根据它的高度来确定所在地的纬度,你看到北极星时的视线和地平面间的夹角的度数,就是你所在地的地理纬度。
北极星,是小熊星座中的α星。由于北极星占据了特殊的位置,所以小熊星座几乎成了尽人皆知的著名星座。即使不太熟悉北极星的人,根据大熊星座里北斗七星中的“指极星”——斗边两颗亮星,也很容易找到它,北极星正好位于两颗指极星连线外延五倍远的地方。
关于星座的神话中,也许与大熊座和小熊座相关联的神话最扣人心弦了。在古希腊的神话中,主管山林水泽的是漂亮的嘉丽丝托女神。诸神之王朱庇特和嘉丽丝托 之间产生了炽热的恋情,朱庇特担心嫉妒成性的天后朱诺会加害于嘉丽丝托,就用法力把嘉丽丝托变成一只熊,让她住在山林中。嘉丽丝托之子阿卡斯不知内情,在 一次狩猎中险些射死自己的生母。朱庇特觉得长此下去终是不便,于是便断然将母子二人安置于天上:嘉丽丝托就是大熊座,阿卡斯就是小熊座,母子相依,夜夜俯 视着人间。
对于业余的天文爱好者,还应该知道,北极星除占据重要的“天位”外,它还是一颗三合星——由三颗靠得很近的星组成的小天体系统,同时它又是一颗变星——它的亮度变化率为14%,所以,不是特别留心观察,一般难以发现它是变星。
红巨星
一般人听说太阳的直径是地球直径的109倍,体积是地球的130万倍时,都会觉得太阳是大得惊人的天体。实际上,太阳按大小来说,只是恒星中的寻常之辈。
星际空间的巨人是一组被称做红巨星的恒星。例如,牧夫座中的大角星,直径相当于太阳直径的24倍,体积是太阳的 13800多倍;御夫座的毕宿五,直径是太阳的45倍,体积是9万多倍;天蝎座的心宿二,直径是太阳的230倍,体积是1200多万倍!然而,心宿二也不 是最大的恒星,至少现在天文学家知道,猎户座的参宿四,直径是心宿二的2.39倍,体积是心宿二的13.67倍。要是和太阳相比,参宿四更是大得惊人,它 的直径为太阳的550倍,体积相当于1亿6千6百多万个太阳!
人们不禁要问,如此巨大的天体是怎样形成的呢?目前,天文学界认为,红巨星是比 太阳更老的恒星。开始,它们也曾是靠着由氢变成氦的热核反应维持着发光、发热的个头中等的恒星。当它们的氢燃料消耗殆尽时,排斥力日益减小,引力的作用使 它们发生收缩。引力收缩时产生的能量使其中心区域的温度上升到1亿度以上。于是,在那里产生了在地球上根本无法实现的另一种热核反应:三个氦原子核聚变成 一个碳原子核。这一反应产生了极强烈的爆炸力,使星体的外壳一下子膨胀几十倍、甚至几百倍,外壳处的温度一般在3000℃到4000℃之间,呈现出明亮的 红色。理论推算表明,靠氦聚变为碳的反应释放的能量来维持其庞大体积的红巨星,寿命都较短,一般仅能存在几百万年。当绝大部分的氦元素都转变成碳元素后, 恒星的体积会再一次缩小,同时使其中心区的温度上升到一个新的数量级,进而引发新的向更重化学元素转化的热核反应。
如此螺旋状升级的热核反应,一次比一次更猛烈。最终会产生最强烈的大爆炸,其威力之大,使许多原属于恒星的物质,获得了脱离开其引力场的巨大速度,飞向宇宙空间。在这样的突变后,红巨星就变成了另一类恒星了。

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2008年08月30日 星期六 下午 09:52 | 回复
很新奇!!
 
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