http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-12-05
阿塔卡玛大毫米波阵列(ALMA)天文台位于智利，拥有66座碟形天线。很快它将成为观测银河系中心黑洞的全球望远镜系统的核心组成部分。
银河系的中心大部分被星尘所包围。
射电望远镜能够穿透星尘看到银河系的核心区域。
即使没有望远镜，我们也可以看到莫纳克亚火山的顶部。在十几千米之外，海拔比山顶低4000多米的地方，大片宽阔的雨林与太平洋的白色边缘相交接。在那里，人们正做着他们梦想能在夏威夷做的事情—在波涛中冲浪；躺在沙滩上，把自己的皮肤暴露在热带阳光之下。但是在他们上方的山顶上却没有植被，空气稀薄而冰冷。当太阳落在亚毫米波阵列天文台的碟形天线上时，科学家们的工作就要开始了。
Sheperd Doeleman正在校准一台电子天文望远镜，今年45岁的他是美国麻省理工学院的研究员，今晚的研究由他主管。如果一切正常，加利福尼亚州和亚利桑那州的其他望远镜会与其同步，这样他们就可以观察到正在黑洞边缘消失的物质。Doeleman和他的同行在陆地上使用了一种名为“甚长基线干涉测量”的技术，其作用是模拟另一种更大的仪器—事件视界望远镜(EHT)。基线越长，望远镜的分辨率就越高。在过去的几十年中，这些天文学家已经在世界各地的很多地方安装了精密而又昂贵的手工打造的仪器。每一次测量前，这些仪器都要经过重新校准。这项工作非常繁琐，但是要想看到他们想要观察的对象，没有什么其他办法可想。
在阵列望远镜控制室的窗户外面，补丁状的白雪点缀着山顶。前几天袭击此地的暴风雪曾经一路向西行进了4000千米，到达加利福尼亚州的观察站，让整个观测行动不得不推迟。然而，事情在今晚有了好转，天文学家开始准备工作。“我们已经能够记录点东西了，”Doeleman说，“这非常好。”
“马克5B正在记录。”Nickolas Pradel说。Pradel是一位来自台湾天文与天体物理学院的博士后研究员。马克5B记录器连接着隔壁的James Clerk Maxwell望远镜—今晚它那直径为15米的天线将发挥重要的作用。虽然“马克5C”是目前最新、扫描范围最大的记录器，并且已连接到亚毫米波阵列天文台，但并未参与今晚的行动。
黑洞会投射出一个阴影，而天文学家的目标就是捕捉到阴影的图像
Doeleman的身材修长，有着跑步者的身形。他大步跑出房间，然后冲下楼梯，跑进了安装着记录器的房间。几分钟后，大口喘着气的他又回到控制室，坐在自己的电脑前敲入了一串指令，嘟囔着一些我听不懂的高科技词汇。结果让人舒了一口气—记录器显示，它已经进入工作状态了。
3个阵列仅仅是一个开始。从2007年起，Doeleman和他的同事们就开始操作同样的射电望远镜网络。当他们把阵列指向银河系的中心，观察“视界规模结构”的时候，一个模糊未知的天体在显示器上出现了，它的大小与之前预计的人马座A*的尺寸相吻合—一个质量为太阳400万倍、位于银河系中心的黑洞。此后，在同事的鼓舞下，Doeleman认为，观测银河系中心更深的位置，深到足够让他们拍到一张人马座A*边缘的照片，并非像听起来那样不可能。每年探测器的越灵敏都在提高，数据存储和处理的成本也从未像今天这么便宜。如果能够把合适的望远镜放入他的系统里，那么拍到一张人马座A*的照片就会如Doeleman所说的，“完全可行。”
在未来几年里，Doeleman和他的合作伙伴们会将几十台全世界最先进的射电天文望远镜集合到一起，打造“人类历史上最大的望远镜”—虚拟碟形天线的尺寸与地球相仿，分辨率为哈勃望远镜的2000倍。不过今晚操作视界望远镜的天文学家们有只有一个小目标：收集尽可能多的人马座A*的光线并研究其极性，以了解黑洞的磁场。如果一切正常的话，天文学家最终可以通过全尺寸视界望远镜—其分辨率高到足以让人们看到4800千米以外一块石英表上的日期—看到一个天体的轮廓。至于它本身，那是无法看到的。
在爱因斯坦1915年发表了广义相对论后，物理学家们立即开始试图用他的方程式去解释宇宙的真实运行方式，德国天体物理学家Karl Schwarzschild就是其中之一。第一次世界大战时，在战壕里工作的他找到了一种方法来计算在一个理想正圆形天体周围的空间-时间曲率。他写信告诉爱因斯坦自己的算法。1916年1月，在柏林举行的一个研讨会上，爱因斯坦代他发表了这一算法。4个月之后，Schwarzschild在东部战线因病去世。
爱因斯坦被Schwarzschild的算法所深深吸引，但是他反对其中的一个猜想—一个密度足够大的恒星会因自己的引力塌陷而形成一个体积无限小、密度无限大的质点。爱因斯坦认为，Schwarzschild忽略了一些会阻碍这种内爆的因素。当时，很多杰出的科学家都赞同爱因斯坦的说法。黑洞，正如它的名字一样，违反了太多我们所认知的宇宙运行规则。加州理工学院的理论物理学家Kip Thorne认为它是“20世纪一个广泛流传、几乎家喻户晓的理论障碍”。
事件视界望远镜将首次为黑洞的存在提供确凿的证据
然而在之后的几十年里，科学家们逐渐认识到，Schwarzschild的观点是正确的。1939年，物理学家Robert Oppenheimer(他后来曾领导曼哈顿计划)在研究广义相对论20多年以后，在Schwarzschild研究的基础上建立了一个极有说服力的例证：某些恒星在耗尽了自己的原子核燃料之后，会因自身的重力而塌陷。上世纪50年代，美国和前苏联科学家在利用计算机模拟氢弹爆炸时，分别独立用最复杂的数学公式证明了：当一颗质量足够大的恒星死亡时，内爆是不可避免的。
上世纪60年代，当天文学家们查找关键证据的时候，他们发现黑洞不只是一个数学概念，而是真实存在的。例如，除了巨大的黑洞，其他任何物质都不能使类星体发光。其中的某些类星体位于可观测的宇宙边缘，正是这些类星体构照亮了成百上千的星系。上世纪90年代，天文学家发现，位于银河系中心附近的星体正以每小时几百万千米的速度在轨道上运行，而这种现象只有在它们绕黑洞运行时才可能发生。
现在，大部分物理学家已经接受了黑洞—一个重力无限大、拥有无限密度、时间凝固、光在其中被捕获的区域—的存在。黑洞可以分为两类：一类是质量与恒星相仿的黑洞，在星体坍缩后形成；另一类是质量巨大的黑洞，科学家认为这种黑洞存在于所有星系的中心。在每个黑洞的中心都有一个奇点，在那里所有已知的物理法则都不发挥作用。每个黑洞都有一个被称作“事件视界”的边缘，黑洞会从那里不断向宇宙的其他地方扩散。正如Doeleman所说，“事件视界”是“一层时间与空间的薄膜，使某些地方和我们所处的世界有原因地区分开来”。这扇出入宇宙的大门有着严格的规则—任何进入的物体都不能重新返回。
事实上，从来没有人观察过“事件视界”，但它应该是可以看到的。理论物理学家预测，黑洞周围的时间空间的极度扭曲将会创造一个被闪耀光圈包围着的黑色圆形阴影。事件视界望远镜的终极目标就是捕捉到一张来自那个阴影的图像。
假如这个项目取得成功，人们就能知道在黑洞的边缘，即宇宙最极端的环境下，广义相对论将会怎样被证实。这也会为一直只是被假设存在、而从未被证实的黑洞的存在提供确凿的证据。“现在我们只能假设，”加拿大滑铁卢大学的理论物理学家、EHT项目的合作者Avery Broderick说。“但是只有假设注定无法令人信服。除非你能在针尖上找到一个正在跳舞的天使，否则就没有立足点去追究在针尖上到底有多少天使在跳舞。”
在距离莫纳克亚火山240000万亿千米以外的地方，人马座A*正在向宇宙发射辐射。曾经属于星云和恒心的电子和离子以接近光速的速度绕黑洞运行，它们每24分钟绕周长为2.3亿千米的圆周转一圈，同时发出跨越电磁波谱的辐射。一小部分在2万6千年前发射出的辐射将于今晚到达地球，而其中更小的一部分甚至会降落在莫纳克亚的山顶，击打在射电望远镜天线的收集盘上。
如果一切正常的话，收集盘会把射电波导入氦制冷收集器里。在那里，射电波会通过地下光缆被传送至控制室。这些信号将会被一台空调大小、价值30万美金、每千万年只会误差1秒的原子钟标上时间、放大并数字化。随后，这些信号将会被记录在一个容量为8TB的硬盘里并运送至EHT的“透镜”—一台由超级电脑推动的相关器，它位于麻省理工学院设在波士顿郊区的Haystack研究所。
在Haystack，一名技术员会从参与观测的3个站点提取数据：位于夏威夷的亚毫米波阵列天文台和James Clerk Maxwell望远镜，位于加利福尼亚州的毫米波联合阵列天文站(CARMA)，以及设在亚利桑那州的亚毫米波天文望远镜(SMTO)。同时，科学家会试图从其他噪音中分辨出有价值的信号。尽管温度已经被降至仅比绝对零度高4摄氏度，望远镜接收器仍然会产生相当于宇宙信号强度10万倍的噪音。“在噪音的顶部有一小部分是信号—除了一点时间的差异和频率的改变—这在不同的观测站是几乎一样的，”负责EHT项目仪器的天文学家、电子工程师Jonathan Weintroub说，“不同观测站的信号相同是因为其来源是相同的。”
为了获得最高的清晰度，所有的工作要在每个站点正确地进行。在亚毫米波阵列天文台那里，一切正常。刚过晚上7点，在经过彻底的软件检查后，天线指向天空，记录器开始工作，长达12小时的观测工作开始了。一个装满零食的旅行袋在各处传递着。我坐在Ryan Howie—一位自从2007年第一次观测活动就在这里工作的20岁出头的望远镜操作员—身边，询问他今晚的准备是否很混乱。“完全没有，”他说，“其实这比前几次的运行要顺畅多了。”
计算机模拟的利用全比例事件视界望远镜观察人马座A*的阴影。
今晚的天气非常完美。用射电天文学家的话来说，今晚的tau值为0.028。tau是天文学家们在衡量大气中水蒸气对观测效果影响时所采用的主要变量。即使在这座山上，即使在一个精心选择出来的观测点，一年里也只有10~15天能有今晚的清晰度。用Doeleman的话说，“今晚的天气就像是在宇宙里一样。”
然而，其他观测点的情况就不那么理想了。CARMA的tau值就非常高，让人恼火；而SMTO尽管tau值非常好，但在冰晶导致望远镜操作员无法顺利地把穹顶打开、将卫星天线指向大气层。但是，只要天气还算过得去，工作就得进行下去。在过去的几天中，袭击加利福尼亚和亚利桑那州的暴风雪迫使Doeleman和他的小组成员将望远镜的使用时间交给其他天文学家，而他们则躲进了供天文学家们吃饭睡觉、为观测进行准备的地下宿舍。
这个夜晚是今年能进行这项观测任务仅剩的两次机会之一。望远镜时间是珍贵的资源，时间分配委员会给了Doeleman和他的小组3个晚上的时间。为了增加所有的3个观测点出现好天气的几率，他们可以在8个时间窗口中任意选择3个。理论上，他们可以整年都进行观测，但是那意味着更多的金钱、更多的旅行和更多的后勤保障困难。理论上，他们也可以有更长的观测窗口(之前他们曾经有过)，但是那样每个人都需要在山上等待更长时间，等待那些恒星处于合适的位置。
黑洞提醒着我们：我们经常看不到世界的真实面目，而只能看到它的阴影
每天正午时分，Doeleman都会收到来自3个观测点的天气预报，并通过电话确认晚上是否进行行动。“这简直快把他弄疯了，”Weintroub说。他们正在努力让Doeleman做出决定的过程不那么痛苦，而关键的一步就是把EHT的专用数字设备永久地装在每一个站点上，这样当天气合适的时候就可以迅速开始观测行动。要实现这一点，就需要与望远镜时间分配委员进行紧密的合作，同时筹集购买和安装设备所必需的资金。此外，还需要更准确的天气预报。在莫纳克亚火山上，得到准确的天气信息不成问题—这里总共有11座观测站，其中的很多都配备有世界上最先进的设备，其中的一座甚至拥有自己的天气预报站。但是像SMTO和CARMA这样的小型观测站就没有这些条件，这让Doeleman无从判断这两个站点的最佳观测时机。
午夜，亚毫米波阵列的天线指向M87星系(它比人马座A*早出现4小时)中心附近的黑洞。Doeleman拨通了SMTO的有线电话(为了避免干扰仪器设备，不允许使用移动电话)，询问望远镜操作员什么时候能打开穹顶。几秒钟后，他挂断了电话。“太好了！”他说，“SMTO那边已经打开了穹顶，30分钟内应该就能开始观测。”
“是时候对M87进行两次扫描了，”Rurik Primiani说。这位25岁的麻省理工学院毕业生正在监视着亚毫米波阵列的碟形天线。
这个好消息让Doeleman打开了话匣子。他用了一点时间告诉这位博士后，自己在15~20年前刚刚进入甚长基线干涉测量的艰苦工作中时所面临的技术障碍。正是野外工作机会将他吸引到了天文学领域。但是正如他所说，他并非想和天文望远镜玩耍，而是认为在阿拉斯加度过冬天听上去很好玩。22岁时，他从他的家乡—俄勒冈州波特兰市的里德学院毕业，并加入了一个前往阿拉斯加为期一年的探险队，去研究极光。在那之后，他进入麻省理工学院，学习甚长基线干涉测量。之所以选择这一行，是因为对他来说，在寒冷干燥的山顶上一连工作好几个星期是一件非常有吸引力的事。
距离和SMTO观测站的操作员通话已经过去30分钟了。Doeleman走向一部电话，然后拨了过去，确认是否穹顶已经打开并开始工作。他沉默了几秒。“你在说谎，”他说，“不，你一定是在说谎。”但看起来，似乎电话线另一头的那个人并不像是在说谎。
“出什么事了？”控制室中的Weintroub问道。
Doeleman挂断了电话并解释说，出于某些原因，SMTO还没有开始工作。详细情况还不清楚。但我们已经扫视了天空12遍，而且亚利桑那州的天气情况也非常不错—那里的tau值已经下降到0.05了，就像是在美国一样。在房间里踱了几步之后，Doeleman再次抓起电话过了去，询问最新的信息。“现在怎么样？”他问，“‘不好’？是不是技术方面的问题？”无声的叹息在研究人员中蔓延。
再过两个小时，人马座A*就会出现。对观察者来说，今晚的机会比平时更好—美国航空航天局的钱德拉卫星正在参与观测，在收集了人马座A* X射线闪的数据后，它会与EHT的数据库连接，然后提供黑洞每小时的变化情况。像这样的发现至少能在重要期刊上发表一篇论文，值得在观测上投入时间、人力和金钱，因此Doeleman尽可能地控制着局面。他让望远镜操作员立即给亚利桑那州大学的主要负责人员打电话，让他马上赶到SMTO那里。“告诉他，‘我如果不打电话给你，Doeleman就会要了我的命。’”
一个半小时过去了，Doeleman收到了一封来自亚利桑那州的电子邮件。他大声朗读出来：“今晚已经没有任何机会参与观测。”小组现在又面临着选择—现在的时间还早。是把今晚剩余的望远镜观测时间留给其他天文学家，还是让剩下的两个观测点继续工作？他们开始对情况进行评估。
Weintroub放下笔记本电脑站起来，对Doeleman说：“你已经进入了钱德拉卫星的覆盖范围。”Doeleman点了点头。这种便利可不能随意挥霍。过了一会儿，Doeleman说：“如果钱德拉卫星监测到X射线闪，我们就可以做一些非常有趣的科学研究。”
最后，他们决定继续。位于加利福尼亚州的CARMA开始进行观测，这个夜晚的时间将是他们的。第一次对人马座A*的扫描时间被定在了凌晨2:05。做出决定后，Doeleman瘫倒在一张铝制折叠椅上，他对我说：“你看到了，这真不容易。”
望远镜看到的图像应该是一个被淡淡光晕包围着的暗黑圆盘
事实上，即使是在最晴朗的夜晚，面对最纯净的天空，银河系中心及其周围的密集星团仍然是不可能用肉眼直接看到的。可见光无法穿透银河系中心的星尘云和等离子层，但是电磁波却可以做到。1932年，贝尔电话实验室的物理学家Karl Jansky注意到，无论何时，只要银河平面在地平线上升起，天空中都会出现强烈的电磁噪声。在那之后，射电天文学家已经发现几种可以更清晰地看到银河系中心的方法。
第一种、也是最重要的一种方法和今天的视界望远镜的原理相同—通过连接多个在地理位置上间隔较大的射电望远镜来创造一个干涉仪，干涉仪进而可以将各地射电望远镜的信号波收集并叠加起来，最后形成一股更强的新信号波。上世纪60年代早期，美国国家射电天文观测站刚刚在弗吉尼亚州西部的格林班克落成，天文学家们就把包括它在内由两座观测站组成的干涉仪指向了银河系中心。1966年，在观测相对低频电磁信号的时候，他们接收到了今天所知的人马座A*发出的第一组信号。当时仪器的分辨率较低，无法进行有实质意义的观测。8年之后，格林班克的天文学家获得了更好的观测条件，这让他们能够观测到在银河系中心密度极大、极光亮的地方发出的高频电磁波。他们发现，某些类似于陀螺的物质正在银河系中心旋转，而银河系的其他部分正在围绕它运行。其中一名天文学家在8年后将这部分物质命名为人马座A*—当我们从地球上看去时，它位于人马座的中心。
在那之后，更灵敏、功能更强大的探测器和电脑让射电天文学家能够用更高频率的电磁波、以更高的清晰度观测银河的中心。波长更短、频率更高的辐射能够提供更高的分辨率。更重要的是，由银河系中心最极端环境—视界的边缘—所发出的辐射更趋向于非常高的频率。当波长大于2毫米时，观测银河系中心就像“从结霜的浴室玻璃向外看”。Doeleman说，而当波长小于等于1毫米时，“结霜的玻璃就会奇迹般地变得清晰”。
未来世界各地的碟形天线网络
为了捕捉到那些1毫米波，天文学家需要跋山涉水。大气中的水蒸气会阻碍1毫米波的通过，因此高频射电望远镜都设在大气干燥而稀薄的位置(比如莫纳克亚火山)，这里有利于1毫米波的顺利通过。目前，位于海拔5000米处智利阿塔卡玛沙漠(世界上最干燥的沙漠)中的大型毫米波阵列天文台(ALMA)正在建设之中。
ALMA很快将成为世界上最强大的射电望远镜阵列，它有望于2015年加入EHT阵列。一旦它加入进来，将成为Doeleman跨越全球的望远镜阵列中至关重要的一站。即便有了ALMA的帮助，为了获得观测人马座A*的事件视界所需要的数据收集能力，EHT仍然需要两个、甚至更多的望远镜。EHT的工作人员还需要更新每个观测站的设备，包括目前在Haystack研究所效力的记录器。未来，它记录数据的速度将是目前速度的8倍。在这些工作完成后，他们的望远镜必须能收集到足以形成一幅图像的数据。
就像其他射电望眼镜所生成的图像一样，这幅图像将会是一幅由天空碎片组成的地图—每个像素都代表了来自宇宙模糊区域的辐射强度。获取数据需要一个晚上，而汇总数据需要几个晚上。最后，一幅完整的图像将呈现在人们面前。
理论学家们已经使用超级电脑预测了这幅图片的样子。如果黑洞是平静的，望远镜就会看见在黑色圆盘的四周，有一圈淡淡的光晕，就像日蚀一样。圆盘的一边可能包含着一团光，那是一个热点，一团围绕着“事件视界”运行的共生物质。如果人马座A*被发现的时候正在捕获并吞噬某些巨大的物质云，那么它看上去将会像一团火球。
Doeleman强调说，在人马座A*的阴影出现在望远镜视野中之前，EHT将一直收集数据；而在那之后，EHT仍然需要收集多年的数据。他所能获得的望远镜越多，所形成的图像的细节就会越丰富，图像也会越清晰。然而一些理论学家认为，从科学的角度讲，图像并不是问题的关键。“我并不认为所有这一切就是为了获得一张图片，”Broderick说，“最终肯定会有一张图片，但是它并不会告诉我们太多东西。”从这个角度看，图片只是一颗奖励的糖果，而事件视界望远镜则是一个能够意外获得艺术品的科学项目。
当地时间凌晨2:30，事件视界望远镜的2/3开始记录来自人马座A*—它正位于地平线的下方—的信号。在阅读了终端显示器上的数据流后，Primiani打破了沉寂：“朋友们，看来今晚的人马座A*非常明亮啊！”
这个消息几乎是令人痛苦的。确实，如果获得的数据还不错，钱德拉卫星也探测到了X射线闪，那么虽然亚利桑那州的SMTO观测站没能参加观测，他们今晚也能获得一些有意义的科学发现。但是现在看来，工作人员已经只能把今晚的观测当作是一次磨练意志的机会。
Doeleman靠在自己的办公椅上，闭上了眼睛；Weintroub躺在地上，立即进入了梦乡；其他人则依然坚守在自己的显示器前。两个半小时就在一无所获中过去了，这在意料之中—枯燥乏味对射电天文学来说是有益的。1987年，在《第一道光》这本书中，Richard Preston描述了在加利福尼亚州的帕洛马山观察站，一些当时最伟大的天文学家在控制室的电脑屏幕上，看着几十个人类从未见过的星系出现在屏幕上的场景。但是，这里的情况显然跟书中所描述的不一样。现在，EHT就像一部长时间曝光的半成品相机，它负责提供黑洞的线索和痕迹，而非实际的图片。
凌晨5点，所有人都醒了，仍然坐在控制显示器前的Rurik Primiani开始变得焦虑起来。“我们获得的数据足够吗？”他问Doeleman。“问题的关键不是数据是否足够多，而是我们究竟有没有获得数据。”Doeleman回答说，“谁知道CARMA在做什么！当然，我非常确定SMTO做了什么。”
事情仍没有任何进展。我突然灵光一闪，问了一个之前没问过的问题：“为什么会有黑洞？”黑洞是宇宙中你惟一能进去却出不来的地方，”Doeleman说。“从理论上说，如果你能建造一艘合适的飞船，你就能进到太阳的中心然后返回，你也可以进入一颗中子星的内部。你会说，‘哇，这里的密度真大！’”他一边说，一边像演员一样，不断晃动自己的手臂，好像试图从一个装满中子星的盒子里把自己的手臂抽出来。“但是你永远不可能从黑洞中逃出来，那里非常恐怖。”
清晨6点以后，Doeleman叫醒那些博士后，准备关掉机器，而我和Weintroub则决定去看日出。在我们驾车前往山顶的路上，Weintroub说：“真让人泄气。”所有的准备工作、夏威夷完美的天气—这一切都被一个亚利桑那州的望远镜那里坏掉的传动马达给搞砸了。如果SMTO小组可以及时修好那台望远镜，3个观察站的天气情况良好的话，明天晚上就可以再次进行观测。“只要能获得一个理想的夜晚，一切付出都是值得的。”他说。
遥远的距离：从银河系第二旋臂中的地球所在位置，到银河系中心的黑洞，距离共为26000光年。
科学家们估计，在银河系里可能有数百万个黑洞。某些暴烈、荒谬、难以理解的东西如果普遍存在，很容易引起我们的不安，而黑洞就是这样令人毛骨悚然的东西。它提醒着我们—我们经常看不到世界的真实面目，而只能看到它的阴影。这和哲学家们几个世纪前对我们的告诫如出一辙。
第二天晚上，Doeleman对我说，工作进行得很不错。技术员们把在SMTO发生故障的机器修好了，3个站点的天气情况也都不错。他们得到的银河系中心的黑洞照片也比之前的要清晰。
几个星期以后，由于想了解事件视界望远镜的情况，我给美国国家射电天文观测台的名誉主管Fred Lo打了电话，他曾经参与过人马座A*的早期观测活动。他告诉我，Doeleman和他的小组所做的事情非常艰难，但并非没有实现的可能。在冷战时期，美国天文学家和他们在苏联的同行曾共同合作，进行甚长基线干涉测量观测。当时，美国科学家需要在华盛顿停留，校准他们的原子钟，取得通关许可，然后飞往莫斯科。Doeleman和他的团队面临着很多困难，但这些总比穿越“铁幕”要简单。“这是从事这个行业的人所必须面对的问题，”他说，“这些问题总会得到解决。”
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