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HWS
Meister im Astrotreff

United Kingdom
615 Beiträge

Erstellt am: 27.12.2019 :  19:58:25 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Das Allergrößte und das Allerkleinste
Was wissen wir heute?


Wissenschaft ist heute mehr "Teamwork" als jemals zuvor. Und das liegt vor allem daran, daß die einzelnen Bereiche so umfangreich geworden sind, die Instrumente so riesig und kompliziert, daß Einzelpersonen kaum noch eine Chance haben.
Auch ist die Wirklichkeit meist viel komplizierter als hier beschrieben, wenn Wissenschaftler ins Detail gehen und die Forschung weiterschreitet. Als Beispiel kann Einsteins Grundidee zur ART dienen, der freie Fall. Sieht man da näher hin, stellt man fest, daß es den eigentlich gar nicht gibt. Der freie Fall im Sinne Einsteins funktioniert nur für einen mathematischen Punkt ohne Ausdehnung. Auf jedes Materieteilchen in einem Schwerefeld wirken Kräfte. Das sind die sogenannten Gezeitenkräfte und solche sind ja bekannt seit Urzeiten auf Erden: Ebbe und Flut. Unser Mond zieht mit seinem Schwerefeld dauernd an dem gegenüberliegenden Teil des Erdbodens und weil eine Wasseroberfläche sehr leicht verformbar ist, hebt sie sich mehrere Meter an und die Flut macht sich bemerkbar, wenn sie dem Lauf des Mondes folgend den Strand erreicht.
Genau dasselbe geschieht, wenn ein Körper in das Schwerefeld eines anderen kommt. Im freien Fall auf die Erde zu wäre der Gedankengang Einsteins rein praktisch richtig. Extrem wird das aber in der Nähe von weißen Zwergen, Neutronensternen oder gar einem schwarzen Loch - also sehr starken Gravitationsfeldern. Nähern wir uns mit dem Kopf zuerst z.B. einem SL würde unser Körper zuerst länger und länger, bis wir vollständig zerrissen werden. Und das liegt daran, daß der Teil von uns, der dem SL am nächsten ist, einer schon wahnsinnig viel stärkeren Raumkrümmung ausgesetzt ist, als der Rest unseres Körpers der weiter entfernt ist. Und dabei handelt es sich ja nur um ein par Meter. Den Grund dafür hatten wir schon: die Gravitation nimmt mit dem Quadrat zur Entfernung ab oder zu, je nach dem, in welche Richtung man sich bewegt.

Neben Sternexplosionen gehören Verschmelzungen großer Massen zu den spektakulärsten Ereignissen in unserem Universum. Ein Stern, welcher Art auch immer, wird, wenn er sich auf seiner Bahn einem SL von einer Größe, wie das z.B. in der Mitte unserer Milchstraße, zu sehr nähert, vollständig pulverisiert. Dabei werden Energien frei, wie sie Sterne nicht in ihren Lebzeiten freisetzen können.

Zu diesem Thema gehört, daß man seit 2016 die von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen messen kann. Gravitationswellen sind nun nicht vergleichbar mit Wasser/Schall- oder gar elektromagnetischen Wellen. Es sind die Dehnungen und Stauchungen des Raumes, die sich wellenartig fortpflanzen. Das Instrument dazu heißt LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ). Es besteht aus zwei, rechtwinklig zu einander stehenden Armen, und das Prinzip ist genau das selbe, wie man schon ca 150 Jahre vorher die Lichtgeschwindigkeit gemessen hat und festgestellt hat, daß sie konstant ist. Nur jetzt ist es die Dehnung und Stauchung des Raumes, die gemessen wird.
Das detektierte Ereignis fand in 750 Millionen Lichtjahren Entfernung statt. Zwei SL, das eine 36 und das andere 29 Sonnenmassen groß, umtanzten einander mit halber Lichtgeschwindigkeit und verschmelzten zum Schluß in ein SL 62 Sonnenmassen groß. Wenn man da nachrechnet, sieht man, daß das Endprodukt 3 Sonnenmassen leichter war. Diese 3 Sonnenmassen wurden vollständig in Gravitationsenergie umgewandelt, alles nach Einsteins Relativitätstheorie, was also ausreichte, daß wir hier noch 750 Millionen Jahre später die Auswirkungen auf den Raum messen konnten.
Was da damals los war, kann man sich gar nicht vorstellen. Unser Sonnensystem wäre vollständig pulverisiert worden und die umliegenden Sterne wahrscheinlich auch.
Die abgestrahlte Energie entsprach 3 Sonnenmassen während der Dauer von nur 0,2 Sekunden. Die Signalstärke var 50 mal energiereicher/sek als alles sichtbares Licht im Universum, oder 200 Milliarden mal stärker als die stärkste Supernova, wir jemals gesehen haben, oder 100 mal stärker als das stärkste, jemals gemessene, elektromagnetische Signal, abgesehen vielleicht von der schon mal erwähnten Hintergrundstrahlung, die 380 000 Jahre nach dem "Urknall" frei wurde.
Hierbei handelt es sich um sogenannte stellare SL, die typischerweise 3-30 Sonnenmassen schwer sind und oft aus Sternensystemen wie z.B. einem Doppelsternensystem hervorgehen. In so einem System kann ohne weiteres ein Neutronenstern seinen Begleiter anzapfen und dabei langsam aber sicher die schon erwähnte kritische SL-Masse erreichen und dann ihn später eventuell ganz auffressen. Der Begriff Schwarzes Loch (SL) etablierte sich erst 1967 und erst viel später konnte man solche Objekte als SL detektieren und deuten.

Sagittarius A* , das 4,1 Millionen Sonnenmassen große SL im Zentrum unserer Milchstraße, untersucht man seit 1992. Es gehört zur Klasse der super massiven SL und solche hat man heute bis zu ca 20 Milliarden Sonnenmassen schwer beobachtet und gemessen.
Es ist schwer sich vorzustellen, daß solche RiesenSL so langsam durch Verschmelzungen mit Sternen oder anderen SL entstehen können. Deshalb gehen die neuesten Theorien davon aus, daß deren Entstehungsprozess sich in den Anfängen unseres Universums, 7/800 Millionen Jahre seit dem Urknall, abgespielt haben. Damals war alles ja viel dichter zusammengepackt und man vermutet, daß diese SL sich durch direkten Materiekollaps gebildet haben, ohne den Umweg über Riesensterne. Dafür spricht auch, daß man sie so weit zurück beobachten kann.

2017 entdeckte man, sozusagen in "nächster Nähe", zwei SL mit einer Gesamtmasse von 36 Millionen Sonnenmassen in einer 380 Millionen Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie, die einander im Abstand von 1,1 Lichtjahren umkreisen.

Im selben Jahr wurde ein richtiges Ungetüm "fotografiert". Es liegt 55 Millionen LichtJahre entfernt im sehr aktiven Zentrum der riesigen elliptischen Galaxie M87, die selber 2000-3000 Milliarden Sonnenmassen groß ist.
M87 ist eine sehr starke Röntgen- und Radioquelle. Die Letzteren eignen sich ganz besonders für solche Beobachtungen und da hatte man das Event-Horizon-Teleskop (EHT), das ein Netzwerk von acht Boden gebundenen Radioteleskopen ist und fast die Größe der Erde erreicht. Mit so einem Teleskop könnte man eine Zeitung in Berlin von NewYork aus lesen.
Die eingesammelten Daten im Radiobereich ergaben 2 Arbeitsjahre später ein sogenanntes Schattenbild des SL, aus dem man, wenn man zurückrechnet, dessen Masse ziemlich genau auf 6,6 Milliarden Sonnenmassen festlegen konnte.
Vereinfacht: die Entfernung hat man, damit auch den Schattendurchmesser, der wiederum wird laut ART vergrößert durch die Raumkrümmung, was einer wirklichen SL-Ausdehnung von ca 40 Milliarden km entspricht und die war ja proportional zur SL Masse. Viel größer also als unser Sonnensystem.
Das mit dem "SL-Schatten" muß man so verstehen, daß ein Bild von einem SL ja nur entstehen kann, wenn etwas es ausleuchtet, so daß es einen Schatten werfen kann. Dieses Ausleuchten machte gerade M87 für Messungen interessant, weil die Umgebung so aktiv ist und ganz besonders im Radiobereich. Das SL frißt nämlich Materie ungefähr 0,1 mal die Sonne per Jahr und strahlt Radiowellen rund um. Die, die wir hier detektieren können, sind dann sozusagen ausgeschattet vom SL.

Das Gleiche macht man auch mit unserem Sagittarius A*, an dem man aber noch dran arbeitet.
Vom Sagittarius A* weiß man, daß ihn zwei Sterne in schon planetarischen Abständen umkreisen. Mit Hilfe der ART kann man ausrechnen, daß die zerrissen werden, wenn sie sich dem SL auf ca zwei Erdabstände zur Sonne nähern.
Weiter umkreist ihn ein mittelgroßes SL, ungefähr 1300 Sonnen schwer, im Abstand von drei Lichtjahren, das auch noch sieben Sterne an sich gebunden hat.
Und schließlich vermutet man auf Grund von Beobachtungen, daß Sagittarius A* innerhalb eines Umkreises von ca 70 Lichtjahren von 10000 bis 20000 kleineren SL umgeben ist.
Da ist also eine ganze Menge los in so einem Galaxienzentrum. Alle diese SL sammeln Sonnen ein, die dann durch Gezeitenkräfte regelmäßig auf das Riesenloch zugeschickt werden und es sozusagen füttern.
Daher auch die Möglichkeit für uns, es abzubilden.

Wenn man das so liest, kann man sich ja fragen, woher man das alles eigentlich so genau weiß? Die Antwort darauf ist natürlich die Entwicklung von Beobachtungsinstrumenten, von denen man früher noch nicht einmal träumen konnte. Und da hat uns die moderne Technik riesige Spiegel für sichtbares Licht, für infrarotes Licht, Radioteleskope, die die Erde umspannen, Teleskope im Weltenraum, haargenaues Positionieren, Datenspeichern usw und so fort beschert.
Nur noch Hobbyastronomen betrachten den Sternenhimmel durch ihre Fernrohre. Heute durchforsten Astrophysiker raue Mengen der kontinuierlich eingesammelten Daten mit Hilfe von Computerprogrammen.
Man sammelt oft tagelang das Licht von Objekten ein, die früher gar nicht sichtbar waren - im Infraroten, im Gammabereich, im Röntgenbereich, bis runter zu den langen Radiowellen. All das Licht wird analysiert mit Hilfe von Instrumenten der Spektralanalyse. Sichtbares Licht spielt kaum mehr eine größere Rolle bei den Beobachtungen, außer in den wunderbaren, atemberaubenden Bildern, die die Kombination aller dieser Frequenzen in den computerbearbeiteten Bildern ergeben.

Wir können heute mit Hilfe von Infrarotteleskopen in unser Milchstraßenzentrum schauen, das für sichtbares Licht von dichten Materiewolken verdeckt ist. Wir können dessen Sternendichte, Masse und schließlich auch die Größe seines schwarzen Lochs bestimmen.

Mit Hilfe all dieser eingesammelten Daten und Einsteins ART sind wir dann auf die zwei größten, astrophysikalischen Rätsel unsere Zeit gestoßen:
die Sterne vor allem in den Außenbereichen der Milchstraße bewegen sich zu schnell und unser Universum expandiert nicht nur, sondern die Expansion beschleunigt auch noch.

Zum Einen: alles , was wir von unserer Galaxie heute sehen, messen und analysieren, ergibt, daß sie auseinander fliegen müßte. Ihre detektierbare Gesamtmasse mit riesigem SL und unzähligen, sichtbaren Sternen reicht halt eben nicht aus, sie zusammen zu halten. Dieses Phänomen betrifft nicht nur unsere Galaxie, nein auch bei allen anderen bisher untersuchten Galaxien ist es genau so.

Irgendwas fehlt.

Zum Anderen: wenn unser Universum expandiert, könnte man meinen, daß es heute ungefähr so groß ist, wie sich das Licht ausbreiten kann. Würde das mit dem neuesten, festgestellten Alter ca. 13,8 Milliarden Jahre übereinstimmen, hätte es ja einen Durchmesser von 27,6 Milliarden Lichtjahren.
Jetzt hat man aber gemessen, daß das Licht der weitest entfernten Objekte am meisten rotverschoben ist, was wiederum bedeutet, daß Objekte sich schneller von uns wegbewegen, je weiter sie von uns entfernt sind.
Und das wiederum bedeutet, daß sie irgendwann mal sozusagen ausgehen werden in der Zukunft. Das "Ausgehen" in dem Zusammenhang muß man sich so vorstellen, daß, wenn sich die riesigen Leerräume zwischen den Galaxien und Galaxienansammlungen von uns gesehen schneller und schneller ausweiten, plötzlich ein Punkt erreicht wird, an dem das Licht der besagten Objekte einfach nicht mehr hier ankommt, da ja die Lichtgeschwindigkeit endlich ist. Die sind dann plötzlich zu weit weg.
Und das wiederum bedeutet, daß wir heute mit dem weitaus größten Teil unseres Universums überhaupt keinen Kontakt jeglicher bekannter Art mehr haben. Wir werden nie mehr feststellen können, ob da überhaupt noch was ist.

Und da hilft wieder einmal nur das Rechnen. Das Universum ist mit den heute bekannten Voraussetzungen ca 90 Milliarden Lichtjahre groß.

HALT sagen wir da direkt! Nichts kann sich mit "Überlichtgeschwindigkeit" bewegen. Und das müßten eigentlich alle die Galaxien, die wir nicht mehr sehen können, getan haben, wenn das Universum nur 13,8 Milliarden Lichtjahre alt ist.
Dieser Widerspruch läßt sich aber mit einer Analogie relativ leicht erklären: Modell "Gummiband".
Auf einem 100m langem Gummiband machen wir alle 100cm eine Markierung. Jetzt ziehen wir das Band in die Länge. Dabei werden die Abstände zwischen zwei benachbarten Markierungen gleichmäßig größer. Wenn der Abstand zwischen Marke1 und Marke2 sich z.B. auf 101cm vergrößert hat beträgt der Abstand zwischen der ersten und der zehnten Markierung aber schon 10 x 1cm mehr. Von der ersten bis zur letzten Markierung war der Abstand ursprünglich 100m, nach dem Strecken ist der aber auf 101m angewachsen.
Für einen Betrachter auf der ersten Marke hat sich Punkt 2 also mit 1cm/Zeiteinheit entfernt, der am weitest entfernte Punkt 100 aber mit ganzen 100cm in der selben Zeiteinheit, also mit scheinbar höherer Geschwindigkeit.
Die Punkte aber bewegen sich eigentlich gar nicht von der Stelle, sie sind ja fest auf dem Gummiband aufgemalt. Aber der "Raum" dazwischen dehnt sich aus.
Ungefähr so funktioniert das mit dem Universum auch. Die weitest entfernten, heute detektierbaren Objekte sind Galaxien, die ihr Licht ausgesendet haben, als das Universum ca 450 Millionen Jahre alt war. Jetzt fragen wir uns, wo sind denn die heute?
Wenn man das logisch durchdenkt, ist ja folgendes passiert:
Damals war das Universum viel kleiner und die Galaxie in Frage noch nicht einmal so weit weg. Wäre das Universum statisch, das will sagen unveränderlich, dann würden wir sie heute gar nicht so alt sehen und wären viel näher dran. Jetzt hat sich der Raum aber während mehr als 13 Milliarden Jahre ausgedehnt und das auch noch immer schneller. Und da müssen wir jetzt von Lichtlaufzeit reden und nicht mehr von Entfernung. Die Galaxie in Frage ist heute nicht nur 13 Milliarden Lichtjahre weit weg, das war ja nur die Laufzeit des Lichtes, sondern in Wirklichkeit mindestens 30, 40 oder 50 Milliarden Lichtjahre. Der Raum ist während der Laufzeit des Lichtes mehr und mehr gedehnt worden und damit auch die Frequenz des damals ausgesandten Lichtes, also stark rotverschoben - und genau deshalb können wir das überhaupt wissen.
Von Geschwindigkeiten in dem Zusammenhang kann man auch nicht reden, wenn wir an das Gummibandbeispiel denken. Die Eigenbewegung aller Objekte ist normal und relativ bescheiden. Nur der Raum wird größer und größer und das Größerwerden addiert sich so zu sagen mit zunehmender Entfernung, wie beim Gummiband.
Eine Frage wäre da noch offen: warum merken wir eigentlich in unserem Sonnensystem nichts davon? Die Antwort ist die Gravitation. Die ist übermächtig und hält alles zusammen, das Sonnensystem, die Galaxien, die Galaxienansammlungen usw. Die Expansion des Raumes geht ungehindert vor sich in den riesigen Leerräumen, die sich zwischen den Galaxienhaufen gebildet haben, welche wie ein Netzwerk um diese Leerräume angesammelt liegen. Diese Räumlichkeiten können ohne weiteres z.B. eine Milliarde Lichtjahre Durchmesser haben. Und da ist eigentlich nichts drin. Mittendrin würde man nichts sehen, nichts spüren und hören sowieso nicht. Da würde Einsteins spezielle Relativitätstheorie, die SRT, uneingeschränkt gelten.

Der Weltenraum expandiert. Lange Zeit glaubte man, daß diese Expansion irgendwann mal aufhören und in eine Kontraktion übergehen würde. Alles laut Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die ART. Jetzt ist es aber so, daß die neuesten Beobachtungen anzeigen, daß irgendwann mal vor Milliarden Jahren diese Expansion begann schneller und schneller zu werden.

Und da fehlt noch mal was.

Zum einen fehlte Materie und zum anderen fehlt Energie. Und weil man absolut nicht weiß, was das für eine Sorte Materie und Energie ist, nennen die Astrophysiker sie Dunkle Materie und Dunkle Energie .
Dunkle Materie ist dunkel deshalb, weil sie sich nur durch ihre Gravitation bemerkbar macht. Und mit der dunklen Energie ist das genauso, von der sehen wir nichts und spüren nichts.

Jetzt muß man sich mal vorstellen, was das bedeutet. Früher bestand das Universum einfach und schön aus sichtbarer Materie, Licht und man verstand die Atome. Man konnte im Allerkleinsten sogar die Elementarpartikel identifizieren. Alles bewegte sich ordnungsgemäß und ließ sich sehr gut berechnen mit den phantastischen, neuen Theorien.
Und dann kommen alle diese noch mehr phantastischen Instrumente, mit
denen man genauer und genauer messen kann, auch über die riesigen Entfernungen des sichtbaren Universums hinweg. Und die werfen alles, was wir wissen über den Haufen.
Die neuesten Messungen ergeben ganz einfach, daß von allem, was wir früher glaubten, unser Universum ausmachte, nur noch rund 5 % übrig bleiben. Alle Materie, aus der wir bestehen, alle Energie und Strahlung, die wir empfangen - nur 5%.
Um die Sterne auf ihren Bahnen um die Galaxienzentren zu halten, muß noch mal fünf mal mehr Masse her, von der wir gar nichts sehen. Und um das Universum so auseinander zu treiben, wie wir das heute festgestellt haben, muß der Rest des Universums aus einer Art Energie bestehen, die dann ca 70% des Ganzen ausmacht.
Das war nicht immer so. Die dunkle Materie war allerdings schon immer da und früher der Hauptanteil des Universums, nämlich ca 65% als alle Photonen frei wurden 380 000 Jahre nach dem Urknall. Aber der Rest war immerhin 35% Materie und Energie, wie wir sie kennen.
Wo kommt denn dann aber all die Energie her, die notwendig ist, um das Universum auseinander zu treiben in dem Takt, wie sich das in den vergangenen Milliarden Jahren entwickelt hat - die Dunkle Energie, von der wir glauben, daß sie 70% von allem ausmacht, was das Universum heute ist?

Und wie kam man überhaupt zu diesem Ergebnis?
Als die Expansion des Universums endgültig bestätigt war durch die Rotverschiebung , wollte man auch bestätigt bekommen, daß diese Expansion langsamer und langsamer wurde. Man war nämlich damals noch fest davon überzeugt, daß die gesamte bekannte Materie und Energie durch ihre Gravitation die Expansion umkehren würde und das Universum sich wieder zusammenziehen müßte.
Jetzt gibt es so zu sagen Leuchtfeuer im Weltenraum. Das sind explodierende Sterne der Klasse Supernovae 1a. Die leuchten immer gleich hell und man kann sie identifizieren. Diese Supernovae sind die Abstandsmesser im Universum.
Auf diesen Abstandsmessungen basierend ergab sich entgegen aller Voraussagungen, die sich aus den bis dahin gültigen Annahmen ableiten ließen, eine Zunahme der Expansionsgeschwindigkeit. Das war ganz und gar unerwartet und revolutionierend. Das krempelte unsere Vorstellungen, aus was unsere Welt eigentlich besteht, total um. Um das Universum auf diese Art auseinander zu treiben, muß Energie her, die heute ca 70% von allem ausmacht - wir erinnern uns noch an Einsteins Äquivalenz von Masse und Energie. Für den Rest bleiben nur noch 30% Materie übrig und 25% davon haben wir auch keine Ahnung, was das ist - die dunkle Materie.
Und aus den, sage und schreibe, restlichen 5%, der sichtbaren Masse samt elektromagnetischen Strahlung bestand einmal vor gar nicht so langer Zeit unser gesamtes Universum - dachten wir.

Jetzt haben die Astrophysiker natürlich eine ganze Menge Theorien, wie immer, wenn etwas neu ist.
Nehmen wir die dunkle Energie. Aus der könnte man eine Naturkonstante machen. Und da kommt wieder Einsteins Kosmologische Konstante zu Ehren, ?"seine größte Eselei"?. Gibt man ihr einen geeigneten Wert, könnte man die dunkle Energie als eine grundlegende Eigenschaft des Universums verstehen, wie z.B. Plancks Wirkungsquantum oder die Lichtgeschwindigkeit. Das wäre eine einfache Lösung, aber so weit ist es noch lange nicht.
Eine andere Möglichkeit wäre die dunkle Energie als Vakuumenergie aufzufassen und das hätte dann mit der Quantenmechanik zutun. Dann würde dauernd neue Energie in unser Universum gepumpt von irgendwo her.
Aber nichts funktioniert bisher. Theorien will man ja gerne experimentell bestätigen.

Und wenn man die dunkle Materie betrachtet wird das noch merkwürdiger. Erst mal kann man sich vorstellen, daß es noch eine ganze Menge richtige Materie gib, die man einfach nicht sehen und nur sehr schwer detektieren kann, wie etwa Planeten, Gas im Weltenraum, Sterne und schwarze Löcher, die nicht leuchten, usw. Die einschlägigen Untersuchungen haben aber ergeben, daß diese Art von dunkler Materie die wenigen Prozente, die die sichtbare Materie ausmachen, kaum verdoppeln können.

Man spekuliert in Wimps (schwach wechselwirkende, massive Teilchen).
Man spekuliert in Axionen (Teilchen bis zu 10 Milliarden mal leichter als ein Elektron), von denen es also wahnsinnig viele geben müßte.
Man spekuliert in mehr oder weniger wilden Theorien, wie etwa MOND ( Modifizierte Newtonsche Dynamik) usw.

Was die Teilchen betrifft, so hat man bisher keine entsprechenden gefunden. Und was die MOND-Theorie betrifft, so ist auch nichts experimentell bestätigt.

Was aber allem dem gemeinsam ist, ist daß nichts einfach so aus der Luft gegriffen ist. Alles wird durchgerechnet. Viele Ergebnisse erklären und stehen in Übereinstimmung mit anderen Rätseln in der Astrophysik.
So etwa besagt eine weiterentwickelte MOND-Theorie dass die Dunkle Materie ebenso wie die Gravitation eine Folge der Dunklen Energie ist. Und so weiter und so fort. Das ist alles sehr kompliziert und für uns Laien völlig undurchdringlich. Wenn man aber mal bedenkt, daß Einsteins Theorien damals auch nur von einer Handvoll Physikern verstanden und akzeptiert wurden und von beinahe allen abgelehnt wurden - waren sie doch völlig unvereinbar mit unseren Alltagserfahrungen -, heute aber in den Schulphysikunterricht eingehen, so kann man sich ja vorstellen, wie man in 100 Jahren vielleicht über eine MOND-Theorie oder ähnliches denkt.

Wenn wir jetzt das alles gelesen haben und uns verwundert fragen, so viel unbekanntes, so viele Rätsel, wie soll man all das überhaupt verstehen, so steht uns "leider" noch das "Schlimmste" bevor: der

BigBang - der Urknall.

HWS

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