Novidades acerca das Supernovas

Queen’s University Belfast

Cientistas da Queen’s University lançam novas luzes sobre a morte de estrelas

Estudo sobre supernovas será publicado na Nature em 17 de outubro.

Os astrônomos da Queen’s University lançaram novas luzes sobre as mais raras e mais brilhantes explosões de estrelas jamais descobertas no universo.

Credit: ESO/L.Calçada

Crédito: ESO/L.Calçada

A pesquisa, será publicada na edição de 17 de outubro da Nature – uma das publicações científicas mais prestigiosas do mundo. Ela propõe que as supernovas – estrelas explodidas – mais luminosas são energizadas por estrelas de nêutrons pequenas e incrivelmente densas, com campos magnéticos gigantescos que giram a centenas de vezes por segundo.

Os cientistas do Centro de Pesquisas Astrofísicas da Queen’s observaram duas supernovas super-luminosas – duas das estrelas explodidas mais luminosas do universo – por mais de um ano. Ao contrário das teorias correntes, que sugerem que as supernovas mais brilhantes são causadas pela explosão de estrelas super-massivas, as descobertas sugerem que sua origem pode ser melhor explicada por um tipo de explosão dentro do núcleo da estrela que cria uma estrela magnética menor, porém extremamente densa e que gira muito rápido.

Matt Nicholl, um estudante pesquisador do Centro de Pesquisas de Astrofísica na Escola de Matemática e Física da Queen’s, é o autor principal do artigo. Segundo ele: “As supernovas são vários bilhões de vezes mais brilhantes do que o Sol e, na verdade, são tão brilhantes que os astrônomos amadores as buscam regularmente nas galáxias próximas. Há décadas que se sabe que o calor e a luz dessas supernovas vêm de poderosas ondas de choque e material radioativo”.

“Porém foram recentemente encontradas algumas supernovas muito inusitadas que são brilhantes demais para serem explicadas desse jeito. Elas são centenas de vezes mais brilhantes do que aquelas encontradas ao longo dos últimos 50 anos e a origem de suas propriedades extremadas é algo muito misterioso”.

“Alguns físicos teóricos predisseram que estes tipos de explosão se originavam das maiores estrelas do universo se destruindo de maneira quase igual a uma bomba termonuclear. No entanto, os dados que obtivemos não corroboram essa teoria”.

“Na explosão de uma supernova, as camadas externas da estrela são violentamente ejetadas, enquanto seu núcleo colapsa para formam uma estrela de nêutrons extremamente densa – que pesa o mesmo que o Sol, mas com um diâmetro de poucas dezenas de quilômetros. Acreditamos que, em um pequeno número de casos, a estrela de nêutrons tenha um campo magnético muito forte e que gire incrivelmente rápido – cerca de 300 vezes por segundo. Na medida em que a rotação abranda, ela pode transferir energia da rotação [NT: leia-se: momento angular] para toda a supernova, através do magnetismo, tornando-a muito mais brilhante do que o normal. Os dados que obtivemos concordam com essa previsão quase que exatamente”.

Os astrônomos da Queen’s lideraram uma equipe internacional de cientistas neste estudo, empregando alguns dos telescópios mais poderosos do mundo. Grande parte dos dados coletados o foi com o Pan-STARRS – o Telescópio de Pesquisa Panorâmica e Sistema Rápido de Resposta. Com base no Monte Haleakala no Hawaii, o Pan-STARRS tem a maior câmera digital do mundo e pode cobrir uma área com 40 vezes o tamanho da Lua cheia em uma única foto.

Este estudo é um dos projetos financiados por um fundo de € 2,3 milhões do Conselho de Pesquisas Europeu, administrado pelo Professor Stephen Smartt, Diretor do Centro de Astrofísica da Queen’s, a partir de 2012, para condução de pesquisas internacionais sobre as primeiras supernovas do universo.

O Professor Smartt declarou: “Estas são supernovas realmente especiais. Já que elas são tão brilhantes, podemos usá-las como luzes de navegação no universo muito distante. Como a luz viaja pelo espaço a uma velocidade fixa, à medida em que olhamos mais distante, vemos imagens de um passado constantemente mais distante no tempo. Ao compreendermos os processos que levam a essas estonteantes explosões, podemos sondar o universo tal como ele era logo após seu nascimento. Nossa meta é achar essas supernovas do universo primitivo e observá-las a produzir os primeiros elementos químicos criados no universo”.

Link para o artigo completo na Nature: www.nature.com/nature/journal/v502/n7471/full/nature12569.html

Uma estrela com dupla personalidade


National Radio Astronomy Observatory

Estrela imita ‘O médico e o Monstro” e fica alternando entre pulsar de rádio para pulsar de Raios-X e de volta

 IMAGEM: A estrela de nêutrons e sua acompanhante, durante o período de acreção, quando a estrela de nêutrons emite raios-X.

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Os astrônomos descobriram um estranho caso de uma estrela de nêutrons com a peculiar habilidade de se transformar de um rádio pulsar para um pulsar de raios-X e ficar alternando de uma para a outra. O comportamento caprichoso dessa estrela parece ser alimentado por uma estrela acompanhante próxima e pode fornecer novos conhecimentos sobre o nascimento de pulsares em milissegundos.

“O que vemos é uma estrela que é o equivalente cósmico de ‘O médico e o Monstro’, com a capacidade de mudar de uma forma para sua contraparte mais intensa, em uma velocidade espantosa”, declarou Scott Ransom, um astrônomo do National Radio Astronomy Observatory (NRAO) em Charlottesville, Virgínia. “Embora já soubéssemos que binárias [emissoras] de raios-X – algumas das quais são observadas como pulsares de raios-X – possam evoluir ao longo de milhões de anos e se tornarem pulsares de rádio que giram extremamente rápido, fomos surpreendidos ao encontrar uma que parecia oscilar de uma para outra rapidamente”.

Estrelas de nêutrons são os remanescentes super densos de estrelas massivas que explodiram como supernovas. Esta estrela de nêutrons em particular, catalogada como IGR J18245-2452, fica a aproximadamente 18.000 anos-luz da Terra, na constelação de Sagitário, em um aglomerado de estrelas conhecido como M28. Ela tinha sido inicialmente identificada como um radio pulsar de milissegundo em 2005 com o Telescópio Robert C. Byrd de Green Bank Telescope (GBT) e, posteriormente, foi redescoberta como um pulsar de raios-X por outra equipe de astrônomos em 2013. Eventualmente, as duas equipes perceberam que estavam observando o mesmo objeto, muito embora ele estivesse se comportando de maneira bem diferente, dependendo de quando era observado. Observações adicionais e dados de arquivo de outros telescópios acabaram por confirmar o ciclo “liga-desliga” de raios-X e pulsos de rádio.

“Várias observações desta estrela em particular, ao longo dos anos e com diferentes telescópios, revelaram coisas tremendamente diferentes – certas vezes era um pulsar e outras, uma binária de raios-X”, declarou Alessandro Papitto do Consejo Superior de Investigaciones Cientificas – Institut d’Estudis Espacials de Catalunya, em Barcelona, Espanha, o autor principal de um artigo publicado na Nature. “Isso era particularmente intrigante, uma vez que binárias de raios-X não emitem pulsos de rádio e a fonte de emissão de raios-X tem que se ter esgotado muito antes que os sinais de rádio possam emergir”.

A resposta para este enigma foi descoberta na complexa interação entre a estrela de nêutrons e sua acompanhante próxima.

 IMAGEM: A estrela de nêutrons e sua acompanhante na fase em que a acreção parou e a estrela de nêutrons está emitindo pulsos de rádio.

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As binárias de raios-X, como seu nome implica, ocorrem em um sistema de duas estrelas no qual uma estrela de nêutrons é acompanhada por outra estrela normal de pequena massa. A estrela de nêutrons – menor mas consideravelmente mais massiva – pode arrancar material de sua companheira, formando um disco achatado de gás em torno da estrela de nêutrons. Gradualmente, na medida em que esse material mergulha para a superfície da estrela de nêutrons, ele fica superaquecido e gera uma intensa emissão de raios-X.

Os astrônomos acreditavam que esse processo de acreção continuava, sem interrupções  por milhões de anos a fio. Eventualmente, o material se esgotava e a acreção parava, juntamente com a emissão de raios-X.

Sem o influxo de material novo, os poderosos campos magnéticos da estrela de nêutrons se tornavam capazes de emitir feixes de ondas de rádio que varrem o espaço enquanto a estrela gira, dando ao pulsar sua característica aparência de um farol.

A maioria dos rádio pulsares gira umas poucas dezenas de vezes por segundo e – se deixados por sua própria conta – vão se desacelerando ao longo de muitos milhares de anos. No entanto, no caso em que a estrela de nêutrons comece sua existência como uma binária de raios-X, a matéria que se acumula sobre sua superfície faz com que a estrela de nêutrons acelere a rotação, até que esteja girando a centenas de vezes a cada segundo. Quando o processo de acreção para, o resultado é um pulsar de milissegundos.

Durante suas observações, os pesquisadores detectaram súbitas emissões de pulsos de raios-X que duravam aproximadamente um mês e paravam abruptamente. Dentro de alguns dias, os pulsos de rádio recomeçavam. Essas oscilações abruptas indicavam que o material do disco de acreção estava caindo na estrela de nêutrons em catadupas, em lugar do fluxo longo e constante teorizado pelos astrônomos.

Um estudo anterior de outro sistema com o GBT detectou o primeiro indício de um disco de acreção em torno de uma estrela de nêutrons, o que ajudou a estabelecer a ligação entre binárias de raios-X de pequena massa e pulsares.

Os novos dados apoiam esta ligação, mas também mostram pela primeira vez que o processo de evolução, que se pensava levar alguns milhões de anos, é na verdade mais complexo e pode ocorrer de forma abrupta e episódica, em fenômenos que podem durar apenas dias ou semanas. “Isto não só demonstra a ligação evolutiva entre a acreção e os pulsares acelerados de milissegundos”, observa Ransom, “mas também que alguns sistemas podem alternar entre os dois estados em escalas de tempo muito curtas”.

A fonte de raios-X foi descoberta pelo International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) e as subsequentes observações em raios-X foram realizadas pelos satélites XMM-Newton, Swift e Chandra. As observações de rádio foram feitas pelo GBT, o rádio-telescópio Parkes, o Australia Telescope Compact Array e o Westerbork Synthesis Radio Telescope.

 

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O National Radio Astronomy Observatory é uma instalação da National Science Foundation, operada em cooperativa pela Associated Universities, Inc.

Novo tipo de estrela “nova”: “kilonova”

3 de agosto de 2013
Por: J.D. Harrington – NASA Headquarters, Washington

GRB 130603B. 13 de junho de 2013. Crédito: HubbleSite, NASA.

O Telescópio Espacial Hubble da NASA apresentou recentemente os mais fortes indícios até agora de que erupções de raios gama de curta duração são produzidas pela fusão de dois objetos estelares pequenos e super-densos.

Os indícios residem na detecção de um novo tipo de explosão estelar, batizado de “kilonova”, que resulta da energia liberada quando um par de objetos compactos se espatifam mutuamente. O Hubble observou, no último mês, a cada vez menos brilhante bola de fogo que se seguiu a uma curta erupção de raios gama (gamma ray burst = GRB) em uma galáxia a quase 4 bilhões de anos-luz da Terra. Era previsto que o fenômeno de uma kilonova acompanhasse uma GRB de curta duração, mas isto ainda não tinha sido visto.

“Esta observação finalmente resolve o mistério da origem das erupções de raios gama de curta duração”, afirmou Nial Tanvir da Universidade de Leicester no Reino Unido. Tanvir liderou uma equipe de pesquisadores que usaram o Hubble para estudar a recente GRB de curta duração. “Vários astrônomos, inclusive nosso grupo, já tinham apresentado muitos indícios de que as erupções de raios gama de longa duração (aqueles que duram mais que dois segundos) são produzidos pelo colapso de estrelas extremamente massivas. Mas só tínhamos fracos indícios circunstanciais de que as erupções curtas fossem produzidas pela fusão de objetos compactos. Este resultado parece dar a prova definitiva que apoia este cenário”.

Os resultados da equipe estão publicados na edição especial online de hoje da Nature.

Uma kilonova é cerca de 1.000 vezes mais brilhante do que uma nova, que é causada pela erupção de uma anã branca. A auto-detonação de uma estrela massiva, uma supernova, pode ser até 100 mais brilhante do que uma kilonova. As erupções de raios gama são misteriosos flashes de intensa radiação de alta energia que aparecem de direções aleatórias no espaço. Erupções de curta duração duram no máximo alguns segundos, no entanto, algumas vezes, produzem tênues rastros luminosos em luz visível e infravermelha que persiste por várias horas e mesmo dias. Esses rastros luminosos ajudaram aos astrônomos a estabelecer que as GRBs vêm de galáxias distantes.

Concepção artística da fusão de duas estrelas de nêutrons. Crédito: HubbleSite NASA.

Os astrofísicos predisseram que as GRBs de curta duração seriam criados quando um par de estrelas de nêutrons super-densas em um sistema binário espiralassem até colidir. Enquanto este evento está acontecendo, o sistema emite radiação gravitacional que cria pequenas ondas na tessitura do espaço-tempo. A energia dissipada pelas ondas faz com que as duas estrelas se aproximem ainda mais. Nos milissegundos finais, antes da explosão, as duas estrelas se fundem em uma espiral mortal que expele material altamente radioativo. Esse material se aquece e se expande, emitindo um jato de luz.

Em um recente artigo científico Jennifer Barnes e Daniel Kasen da Universidade da California em Berkeley e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley apresentaram novos cálculos predizendo como as kilonovas deveriam parecer. Eles predisseram que o mesmo plasma quente que produz a radiação, também bloquearia a luz visível, fazendo com que o jorro de energia da kilonova exsudasse na forma de infravermelho próximo por vários dias.

Uma inesperada oportunidade para testar este modelo apareceu em 3 de junho, quando o Telescópio Espacial Swift da NASA captou a erupção de raios gama extremamente brilhante, catalogada como GRB 130603B.  Embora o clarão inicial de raios gama tenha durado apenas um décimo de segundo, ele era aproximadamente 100 bilhões de vezes mais brilhante que o subsequente flash da kilonova.

Desde 12-13 de junho, o Hubble varreu o local da erupção inicial, localizando um tênue objeto avermelhado. Uma análise independente dos dados de outra equipe de pesquisas confirmou a detecção. As observações subsequentes do Hubble em 3 de julho revelaram que a fonte tinha se apagado, comprovando assim que o brilho em infravermelho era de uma explosão causada pela fusão de dois objetos.

Para imagens e mais informações sobre a kilonova, visite:

http://hubblesite.org/news/2013/29

Para mais informações sobre o Telescópio Espacial Hubble, visite:

http://www.nasa.gov/hubble

A “pedra filosofal” cósmica


Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

O ouro da Terra veio da colisão de estrelas mortas

 IMAGEM: Esta concepção artística retrata a colisão de duas estrelas de nêutrons. Novas observações confirmam que essas colisões produzem erupções curtas de raios gama. Essas colisões também produzem os raros elementos mais pesados, inclusive o ouro. Clique aqui para mais informações.

Nós damos valor ao ouro por várias razões: sua beleza, sua utilidade como joia e sua raridade. Uma das razões para o ouro ser raro na Terra, é que ele é raro por todo o universo. Diferentemente de elementos como carbono ou ferro, ele não pode ser criado dentro de uma estrela. Em lugar disto, o ouro tem que nascer de um evento mais cataclísmico – tal como o que ocorreu no mês passado, do tipo conhecido como uma curta erupção de raios gama (gamma-ray burst, ou GRB).

As observações desta GRB dão indícios de que ela resultou da colisão de duas estrelas de nêutrons – os núcleos mortos de estrelas que já explodiram como supernovas. Além disso, um brilho singelo que persistiu por dias no local da GRB, provavelmente significa a criação de quantidades substanciais de elementos pesados – inclusive ouro.

“Estimamos que a quantidade de ouro produzido e ejetado durante a fusão dessas duas estrelas de nêutrons possa ser da magnitude de 10 massas lunares – um bocado de grana!” diz o principal autor Edo Berger do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA).

Berger apresentou sua descoberta hoje em uma conferência imprensa no CfA em Cambridge, Massachusetts.

Uma erupção de raios gama é um clarão de luz de alta energia (raios gama) vindos de uma explosão extremamente energética. A maior parte delas é encontrada no universo distante. Berger e seus colegas estudaram a GRB 130603B, a qual, a uma distância de meros 3.9 bilhões de anos-luz da Terra, é uma das mais próximas erupções vistas até hoje.

As erupções de raios gama vêm em dois tipos – longas e curtas – dependendo do quanto durar o clarão de raios gama. A GRB 130603B, detectada pelo satélite Swift da NASA em 3 de junho, durou menos de dois décimos de segundo.

Embora os raios gama tenham desaparecido rapidamente, a GRB 130603B também exibiu um brilho evanescente, dominado por luz infravermelha. Sua luminosidade e seu comportamento não se enquadravam em uma típica ‘luminescência”, fenômeno criado quando um jato de partículas de alta velocidade colide com o ambiente em torno.

Ao invés disso, o brilho se comportou como se proviesse de raros elementos radioativos. O material rico em nêutrons ejetado pelas estrelas de nêutrons que colidem, pode gerar tais elementos, os quais, em seguida, sofrem o decaimento radioativo, emitindo um brilho dominado por luz infravermelha – exatamente o que a equipe observou.

“Estivemos procurando por um indício forte para fazer a ligação entre uma curta erupção de raios gama com uma colisão entre estrelas de nêutrons. O brilho radioativo da GRB 130603B pode ser este indício”, explica Wen-fai Fong, um estudante de pós-graduação do CfA e co-autor do artigo.

A equipe calcula que cerca de um centésimo de uma massa solar foi ejetado pela erupção de raios gama, parte da qual era ouro. Combinando a estimativa da quantidade de ouro produzida em uma única e curta erupção de raios gama com o número de tais explosões que devem ter ocorrido ao longo da vida do universo, todo o ouro que existe hoje deve ter saído de erupções da raios gama. .

“Parafraseando Carl Sagan, todos nós somos poeira de estrelas e nossas jóias são a poeira de estrelas que colidiram”, diz Berger.

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Novo fenômeno observado em um Magnetar

29 de maio de 2013
Os astrônomos que empregam o Telescópio Espacial de Raios-X Swift da NASA, observaram a súbita diminuição da velocidade de rotação de uma estrela de nêutrons, o que pode dar pistas para compreender o que se passa nesses objetos estelares extremamente densos.

Uma estrela de nêutrons é o núcleo esmagado de uma estrela massiva que extinguiu seu combustível, colapsou sob seu próprio peso e explodiu como uma supernova. Uma estrela de nêutrons pode girar tão rápido quanto 43.000 rotações por minuto e exibir um campo magnético um trilhão de vezes mais forte do que o da Terra. A matéria de uma estrela de nêutrons é tão densa que uma colher de chá dessa matéria pesaria cerca de um bilhão de toneladas na Terra.

artist's rendering of an outburst on an ultra-magnetic neutron star, also called a magnetar

Uma concepção artística de uma emanação partida de uma estrela de nêutrons magnética, também chamada de magnetar.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA
›Imagem ampliada

Esta estrela de nêutrons, 1E 2259+586, fica a cerca de 10.000 anos-luz da Terra, na direção da constelação Cassiopeia. Ela é uma das cercas de duas dúzias de estrelas de nêutrons chamadas magnetares, que têm poderosos campos magnéticos e ocasionalmente produzem explosões ou pulsos de alta energia.

As observações dos pulsos de Raios-X da 1E 2259+586, de julho de 2011 até meados de abril de 2012, indicavam que a rotação do magnetar estava diminuindo gradualmente, desde uma vez a cada sete segundos, ou seja: cerca de oito revoluções por minuto. Em 28 de abril de 2012, os dados mostraram que a taxa de rotação caiu abruptamente em 2,2 milionésimos de segundo e que o magnetar estava freando sua rotação mais rapidamente.

false-color X-ray image of the CTB 109 supernova remnant

O 1E 2259+586 brilha em um branco azulado luminoso nesta imagem de raios-X com cores falsas dos remanescentes da supernova CTB que ficam a cerca de 10.000 anos-luz de distância na direção da constelação Cassiopeia. A CTB 109 é somente um dos três remanescentes de supernovas em nossa galáxia conhecidos por abrigarem um magnetar. Os raios-X de baixa, média e alta energias são mostrados respectivamente nas cores vermelho, verde e azul nesta imagem criada a partir de observações obtidas pelo satélite XMM-Newton da Agência Espacial Européia em 2002.
Crédito: ESA/XMM-Newton/M. Sasaki et al.
› Imagem ampliada
“Os astrônomos testemunharam centenas de eventos, chamados glitches, associados com súbitos aumentos na rotação de estrelas de nêutrons, porém esta súbita diminuição da rotação nos pegou com a guarda baixa”, declarou Victoria Kaspi, professora de física na Universidade McGill  em Montreal. Ela lidera uma equipe que usa o Swift para monitorar os magnetares rotineiramente.

O astrônomos batizaram o evento de “anti-glitch”, segundo o co-autor Neil Gehrels, principal investigador  da missão Swift no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland. “Ele afetou o magnetar de maneira exatamente oposta a qualquer outro glitch claramente identificado em qualquer outra estrela de nêutrons já visto”.

Esta descoberta tem importantes implicações para a compreensão das extremas condições físicas presentes dentro das estrelas de nêutrons, onde a matéria é comprimida até densidades várias vezes maiores do que em um núcleo atômico. Nenhum laboratório na Terra consegue duplicar essas condições.

Um relatório das descobertas será publicado na edição de 30 de maio da Nature.

artist concept of neutron star compared to satellite image of Manhattan for scale

Uma estrela de nêutrons é o objeto mais denso que os astrônomos podem observar diretamente, onde meio milhão de massas da Terra são comprimidos em uma esfera de cerca de 24 km de diâmetro, ou seja, mais ou menos o tamanho da ilha de Manhattan, como mostrado nesta ilustração.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA
› Imagem ampliada

A estrutura interna das estrelas de nêutrons é um quebra-cabeças há muito tempo. A teoria corrente mantém que uma estrela de nêutrons tem uma crosta feita de elétrons e íons; um interior que contém extravagâncias que incluem um superfluido de nêutrons, que é um bizarro estado da matéria sem fricção; e uma superfície que acelera correntes de partículas de alta energia através do intenso campo magnético da estrela.

As partículas das correntes drenam a energia da crosta. A crosta perde rotação, porém o fluido no interior resiste a essa frenagem. Esta tensão fratura a crosta. Quando isso acontece, ocorre um a glitch. Acontece uma emissão de raios-X e a estrela ganha um impulso na rotação de seu interior que está girando mais rápido.

Um processo que leve a uma súbita frenagem na rotação  constituí um novo desafio teórico.

Em 21 de abril de 2012, apenas uma semana antes do Swift observar o anti-glitch, a 1E 2259+586 produziu uma emissão breve porém intensa de raios-X, detectada pelo Monitor de Raios-X a bordo do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA. Os cientistas pensam que esta erupção de luz de alta energia de 36 milissegundos provavelmente assinalou as mudanças que causaram a frenagem do magnetar.

“O que é realmente digno de nota neste evento é a combinação da frenagem abrupta do magnetar, a emissão de raios-X e o fato de que agora observamos a estrela girando cada vez mais devagar”, diz o principal autor, Robert Archibald, estudante de pós-graduação na McGill.

O Centro Goddard gerencia o Swift, lançado em novembro de 2004. O telescópio é operado em colaboração com a Universidade do Estado da Pennsylvania em University Park, o Laboratório Nacional de Los Alamos no Novo México e a Orbital Sciences Corp. em Dulles, Virgínia. Os colaboradores internacionais são o Reino Unido e a Itália e a missão conta com contribuições da Alemanha e do Japão.

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Fonte: NASA’s Swift Reveals New Phenomenon in a Neutron Star

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