载人空间站工程巡天空间望远镜。图片来源：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
导 读
在巡天的黄金时代，中国终于可以参与进来，第一台大型太空光学望远镜CSST的升空，或将带来影响深远的科学发现。
撰文 | 邸利会
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在长春的中国科学院长春光学精密机械与物理研究所内，一个高约14米、长20米的大型真空罐及其配套光学测试系统正在建造当中。
“这个是非常壮观的，当然代价也是很大了，（建造）也非常麻烦，但为了不至于入轨之后才发现问题，所以最好在地面上就先验证整机的各项指标。” 中国科学院国家天文台研究员詹虎告诉《知识分子》。
詹虎的话引向一段著名的 “错误”。
1990年4月25日，哈勃太空望远镜进入到地球上方600多公里处的运行轨道。不幸的是，很快研究人员发现，哈勃有严重的成像问题，直到三年后，奋进号航天飞机将航天员送上去，问题解决后才开始了正常的观测。
显然，正在建造中的、中国第一台大型太空光学望远镜，不希望再犯前人的错误。
整机验证只是万里长征路上的其中一步。这台两米口径的大型光学望远镜，被称为载人空间站工程巡天空间望远镜（Chinese Survey Space Telescope, 简称CSST，亦被称为Chinese Space Station Telescope），预计在2024年前后发射进入近地轨道。届时，它将和中国空间站在同一个轨道上飞行，目前规划的运行期为10年。
参照国际上差不多同期发射的空间巡天望远镜——欧洲航天局的欧几里得（Euclid）和美国航天局的罗曼太空望远镜（Roman Space Telescope），CSST研制费用至少也在几十亿的量级。中国科学院国家天文台称，“CSST是我国载人空间站旗舰级项目，是我国迄今为止最大的空间天文基础设施，具有大视场、高像质、宽波段等突出特点，是我国天文科学迈向国际前沿的重大机遇。”
01 赶上巡天的黄金时代此前，没有谁可以想到，中国可以拥有自己的旗舰级太空望远镜。它的诞生要从建空间站说起。
1986年，中国被美国等国家拒绝参与国际空间站。1992年，中国决定发展自己的载人空间站，代号921工程。
921工程包括了很多系统，其中第二个系统，即空间应用系统由中国科学院空间科学与应用总体部（以下简称 “总体部”）来规划。专家们一直在思考，中国空间站上应该开展什么样的科学研究。
2009年12月，总体部在香山开了一系列的会议，探讨空间站的科学研究方向和所需的实验装置，会上讨论了建造一台大口径的空间光学望远镜的想法。来年4月，总体部在国家天文台专门研讨科学目标，国家天文台陈建生院士和胡景耀研究员提出，可以利用空间光学望远镜做巡天。一般来说，天文观测分为普查和精测。巡天可以理解为是对大范围的宇宙天体进行普查。
巡天的提议得到了总体部顾逸东院士的大力支持。随后，中科院国家天文台、上海天文台、紫金山天文台、高能物理研究所，北京大学，中国科学技术大学等单位对空间站大口径光学望远镜的科学目标进行了论证；总体部组织中科院长春光学精密机械与物理研究所、南京天文光学技术研究所、上海技术物理研究所、国家天文台、紫金山天文台等单位开展了望远镜及观测终端的技术方案论证。
与此同时，美国在2010年也制订了10年的天文研究规划，在地基和空间的推荐项目中，排名第一的都是做巡天，包括了著名的时空遗迹巡天（Legacy Survey of Space and Time, LSST），现更名为薇拉·鲁宾天文台（Vera Rubin Observatory）和大视场红外巡天望远镜（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST），现更名为罗曼太空望远镜。
2011年初，利用空间站光学望远镜开展巡天的报告提交给了总体部，年末通过了望远镜的技术可行性评审；来年的3月初，空间站任务规划委员会的100多位专家对空间站上的科研项目进行评议打分，CSST得到了载人航天工程的优先支持。之后，经过望远镜多方案择优和经费评估，2013年11月，CSST正式立项。
在最初的计划中，CSST是空间站的组成部分，安装在实验舱II上。之后，为了改善CSST观测运行的条件，专家们探讨了多种可能，苏定强院士和张柏楠总师先后提议，将其改为独立的空间望远镜，与空间站在400公里高的轨道上 “共轨飞行”。这一提议得到了工程总体的支持，并于2014年初启动了论证工作。未来，在常规运行期间，CSST会定期或根据需要与空间站对接，补给燃料和进行维护、维修与升级。
对老一代天文学家、83岁的陈建生来说，开展大规模巡天一直是个梦想。他是从使用手摇计算机、暗室里冲底片的年代走过来的。几十年来，随着探测器、计算机、网络、空间、大数据、人工智能等技术的长足进步，他期待的太空巡天的黄金时代正在到来。
“对于地面巡天，上世纪八十年代时我们错过了机会，后来美国斯隆（SDSS）望远镜做了，现在LSST也将开始做。但是空间上的光学巡天还没开始做，而空间巡天又太重要了。因为它可以达到比地面巡天好一个数量级的像质，所以如果有机会能够做空间巡天，意味着中国天文进入了一个非常了不起的时代。” 陈建生说。
如今，巡天已经成为了天文学角逐的热点。
地面巡天的代表、斯隆望远镜已经运行了20多年，绘制了最为精确的三维宇宙地图，获得了三分之一天空的深度多彩图像，超过300万天体的光谱，并免费分享给全世界，在宇宙学、类星体、星系、银河系、恒星、太阳系、系外行星等领域取得丰硕的成果。同样是地基望远镜的薇拉·鲁宾天文台，将在2022年底在智利的安地斯山顶开始运行，开展时空遗迹巡天。
而空间巡天方面，欧洲航天局称，欧几里得太空望远镜将在2022年底从法属圭亚那的欧洲航天中心发射；美国航空航天局的罗曼望远镜预计在2020年代中发射。俄罗斯和德国已经发射了Spektr-RG太空望远镜，集中在X射线。中法合作天文卫星——空间变源监视器（SVOM，X射线、伽马射线及光学）和中科院空间先导项目爱因斯坦探针卫星（EP，X射线）计划于2023年发射。空间望远镜相比地基望远镜，由于不受地球大气的影响，可以进行更多波段的观测。
“CSST是两米的口径，比哈勃小一点，如果和哈勃一样只做小视场的精细观测，很难超越哈勃，所以当时考虑空间站上做什么样的大科学的装置，在科学上才有亮点，才能超过人家，巡天正好是一个很好的方向。巡天做的好，不仅是有口径，还得视场大。” 詹虎说。
CSST有超过哈勃300倍的宽广视场，视场大意味着一次观测能够看更大的范围。
具体来说，在10年的运行期内，CSST计划对17500平方度（整个天空是41253平方度，17500平方度占整个天空的42.42%）的中高银纬、中高黄纬天区进行多波段成像和无缝光谱观测，并对遴选的天体或天区开展精细观测研究，将获取数十亿恒星与星系的测光数据和数亿条光谱，并通过直接成像搜寻和研究太阳系外行星。
02 揭开宇宙深邃的奥秘建造昂贵的望远镜，开展大规模巡天，首要的目标是探究宇宙的两大谜团——暗物质和暗能量。
根据现今的理解，组成宇宙的68%是暗能量、27%是暗物质，剩下的5%是我们熟知的物质（氢和氦等原子）。然而，对于占宇宙绝大部分的暗能量和暗物质，人们知之甚少。
暗物质的提出和女天文学家薇拉·鲁宾关系密切。她首次测量了恒星绕星系中心旋转的速度。1962年，鲁宾指出，根据已有的数据，不管恒星离星系中心的距离多远，旋转速度大体是不变的。几年后，她和同事福特（Kent Ford）通过精确测量，证明暗物质的存在，正是它们提供的引力才维持了星系的稳定。我们的银河系就被暗物质所包裹，好像笼罩在一大片不可见的 “雾霾” 当中。但暗物质粒子无法用标准模型解释，连质量多少都还不知道，这给直接的实验室探测增加了难度。
暗物质驱动了星系的形成与演化；此外，我们过去二十多年的天文观测表明，宇宙是在加速的膨胀中，很多人推测是由暗能量所驱动。
“现在对暗物质、暗能量的研究，实际上缺少的还是海量的观测数据。海量的数据能给出确凿无疑的证据，把暗物质、暗能量性质的参数限定到非常小的误差范围内，这样物理属性就基本被确定了。” 北京大学物理学院天文学系教授吴学兵说。
包括CSST在内的大型巡天项目都在试图通过了解星系、暗物质的分布、理解宇宙膨胀的历史、大尺度结构的生成，弄明白暗能量的本质（或者爱因斯坦引力理论在宇宙尺度上是否还正确）。
图1 这个又大又蓝，可以环绕整个星系的是什么？是引力透镜造成的海市蜃楼 | 图源：Astronomy Picture of the Day，APOD
具体来说，天文学家手上有几个工具，其中之一就是引力透镜。
引力透镜效应的发生，是由于物质的存在造成了时空的扭曲。比如，当遥远的星系发出的光经过漫长的路途到达人眼，在这条光路上，如果恰好有某些大质量物质（不管是可见的恒星、星系、黑洞还是不可见的暗物质）身处其中，你看到的遥远星系的图像就会有变形。通过测量这种形变，天文学家可以推断出这个中间物质的质量。
另外，天文学家还会利用红移来测量星系的距离，为绘制宇宙的星系、暗物质分布地图增加第三个维度。
宇宙的膨胀会同时拉伸光的波长，这一过程称为红移。天体越是远，其发出的光的波长就被拉的越长。更遥远的星系，其发出的所有可见光恐怕都已经变为了红外线。天文学家可以通过光变红的程度来判断星系有多远。
有趣的是，看得远也相当于是看的早，所以三维的宇宙地图事实上也提供了宇宙演化的历史纪录，进而有助于理解暗能量是如何一步步推动宇宙膨胀的。
还有一项技术是观察重子声波振荡（Baryon Acoustic Oscillations，BAO）的遗迹。
宇宙早期，大量的重子和光子开始聚集，其中的微小扰动以声波的形式传播。当宇宙年龄达到38万年左右时，原子首次形成，物质更有效地冷却，重力开始占主导地位，大尺度结构开始形成，这些波就被 “冻” 住了。随后，在这些波纹上，演化出了星系等结构。
检测重子声波振荡的特征非常有用，因为其大小由早期宇宙及其组成部分，正常（重子）物质、暗物质和暗能量的特性所决定。重子声波特征随宇宙时间变化的方式，可用于测量宇宙的膨胀及其演变方式。之前，因为尚未观察到足够量的处在宇宙较为年轻阶段的星系样本，科学家还没能很细致地研究重子声波振荡在那个阶段的印记。如今，大型的巡天望远镜正好胜任这项工作。
当然，天文学家还会有别的手段，比如测量超新星的亮度和距离，也会为暗能量的存在提供证据。
除了研究暗物质和暗能量之谜，CSST配备的星冕仪还可以探测太阳系外的行星。发现系外行星的一个手段是测量恒星的亮度变化，这是由绕行而过的行星短暂遮挡而导致。而星冕仪则是通过强烈地抑制恒星的光，从而看到恒星边上、未形成遮挡关系的暗弱行星。
CSST也会对超大质量黑洞的研究产生积极影响。
“CSST有这么大天区面积的巡天，如果拍摄上亿个星系，可能会找到大概千万或至少百万以上的比较活跃的星系，它们中心都有一个活跃的超大质量黑洞，通过光谱、图像可以把这些黑洞的很多性质分析得非常清楚，比如有多重，每年吃进去多少物质，我们可以把这些很重要的一些物理参量测量出来。普查上亿个星系，详细研究几百万个超大质量黑洞的性质，这都是空前的。” 吴学兵告诉《知识分子》。
预期，CSST将在暗物质和暗能量、宇宙大尺度结构、星系和超大质量黑洞形成和演化、宇宙早期化学增丰历史（指银河系形成的初期，研究银河系里最古老的一代恒星，可以追溯到大约132亿年前）、系外行星等天文领域和基础物理领域的重大问题上取得重要进展。
03 三大空间望远镜，各具优势值得注意的是，欧几里得、CSST、罗曼三大空间望远镜在差不多的时段开展巡天，科学目标方面也较为相近。
根据官方的介绍，欧几里得将覆盖超过三分之一（15000平方度）的天空，在可见光和近红外波段将测得至少10亿星系的形状、上亿星系的精确红移（相当于距离）。罗曼也具备大的视场，其一张图片相当于哈勃同样细节的100张图，在运行期间，预计将测量10亿个星系，测量几亿星系中普通物质和暗物质的位置和数量。
“通过观测上亿星系，仔细研究它们的特征，就可以弄清楚整个宇宙的很多规律，包括暗物质、暗能量的性质，这正是所有这些巡天项目都希望达成的目标，那就看谁的样本足够大，谁探测的信息足够多，谁能看得更远。” 吴学兵说。
图2 宇宙膨胀的历史 | 图源：美国航空航天局
从观测波段看，CSST主要覆盖近紫外到近红外波段（0.25～1微米），而欧几里得和罗曼有一大部分的观测是在近红外，罗曼2.4米的镜子是欧几里得的两倍大，可以看得更深（波段0.5～2.3微米）。
欧几里得和罗曼可以看到宇宙中极其遥远的星系。欧几里得宣称，测量的星系可以远至百亿光年；而罗曼则能够看到不到3亿年的宇宙（当前138亿宇宙年龄的2%左右）。
欧几里得和罗曼罗曼之所以看的远，是因为其拥有高性能的红外探测器（该探测器对中国禁运）。
一些宇宙最遥远的天体发出的光，基本都已经红移到红外波段；此外，一些比较冷的天体，辐射也基本是在红外波段。看的远可以了解恒星和星系何时开始形成。
星系的起源仍然是个谜，最初形成的天体极其微弱，稀疏地散布在宇宙中。罗曼据称可以找到足够多的第一代星系，发现成百上千个最遥远、最年轻的星系，测量其年龄、并研究它们如何聚集、恒星如何形成。往后推，罗曼可以观测大爆炸后8到10亿年间的星系，那时，在暗物质的影响下，星系刚开始聚集形成星系团。在探测重子声波振荡遗迹方面，罗曼可以测到宇宙约6亿年的年龄（当前宇宙年龄的4%）时的情况。
此外，强的红外探测能力也可以看到更多银河系内的恒星。
银河系充满了尘埃和气体带，影响到恒星的观察。红外光的波长比可见光长，意味着在长距离传播时不太可能被小尘埃颗粒散射和吸收。罗曼升级后的红外探测能力可以穿透比之前多两到三倍的灰尘，看到银河系内那些小而暗的、主要发红外光的恒星。
与欧几里得类似，CSST主要观测黄道光背景和恒星密度较低的天区，方向集中在中高银纬和中高黄纬（部分银盘、核球区域的观测也在策划中），这些天区更有利于河外科学研究，在银河系方面的研究会打一定折扣。
“不过在银河系，即使不看银盘或者核球区域，在中高银纬的银晕里面的恒星，它的演化、星族成分、运动、结构等，对银河系研究都是非常有用的。同样，对于中高黄纬的观测，尽管太阳系天体很多是在黄道面上，或者它们的轨道倾角比较低，但也有一些就是轨道高倾角的小天体，反而是很有意思的研究对象。” 詹虎说。
在发现系外行星方面，罗曼将利用微引力透镜调查1亿颗恒星，意在发现2500颗新的系外行星。之前美国宇航局的开普勒卫星和凌日系外行星巡天卫星（TESS），已经发现了4000 多颗系外行星，但大多是围绕昏暗恒星运行的大型行星。罗曼将找寻类似地球的、较小的、围绕明亮恒星运行的岩石行星，希望有朝一日能找到类似于地球的宜居世界。
CSST、欧几里得和罗曼的观测，都包括了大面积天区的普查和面积小但更深的深场观测，同时也有部分观测时间可供天文学家申请。罗曼的超深场（ultra-deep field）可能类似于哈勃的超深场——在一个方向上观察数百小时，以构建非常微弱、遥远天体的极其细致的图像。相比于哈勃以这种方式获得的数千星系，罗曼将收集到数百万个。
此外，CSST是在近地轨道飞行，而欧几里得和罗曼则是在拉格朗日L2点，卫星的稳定性较好。不过，CSST在稳定性方面也达到了前所未有的高度，其朝向天空的光轴的晃动可以控制在5%角秒之内。一个角秒所代表的角度十分微小，大概是200米远的一粒小米，其直径到观察者眼睛的张角。5%角秒又是这个精度的20倍。
从光学成像的质量来说，相比以近红外观测为主的罗曼，CSST产生的像斑能量更为集中；另外，CSST因为是离轴的望远镜，像斑没有副镜支撑所带来的衍射图案，对于测量引力透镜比较有利。
CSST对近紫外波段的观测，是欧几里得和罗曼所不具备的。“高分辨率的近紫外巡天的话，现在还没有，这是CSST很独特的一个地方，估计十几年的时间里世界上也不会有大型的空间的紫外天文望远镜。” 詹虎说。
CSST还配备了独家的仪器，比如太赫兹模块，积分视场光谱仪、多通道成像仪。
“积分视场光谱仪挺有意思，可以把一个小的展源，像二维的星系，它可以切割成很多份，每一份都做光谱，所以既有位置的信息，又有光谱的信息，能把星系的结构上面不同地方的结构的光谱都能提取出来。多通道的成像仪，是将望远镜过来的光分成三个宽的波段，同时观测这三个波段，这也是他们这几个望远镜里面是没有的。” 詹虎说。
04 同一片天空共同的科学目标，运行时间上的重叠，使得汇集和比较三个空间望远镜的观测结果非常有用。
“欧几里得，罗曼，他们的长处都是在红外波段；CSST在紫外和光学波段空间分辨率是非常好的，实际上是有点互补，三者结合起来其实是一个最佳的选择。但即使是不能结合，CSST有紫外、光学波段这么强的观测能力，还是能够做非常好的研究的，所以我们现在是以我为主，如果能够合作当然更好。” 吴学兵说。
CSST在利用引力透镜现象做观测方面具备优势。一般来说，用引力透镜现象来研究宇宙学模型、暗能量方程，至少包括对星系形状的测量以及确定背景星系的红移。
“红移的确定，就特别需要可见光多波段的观测，CSST在这方面是很完备的。如果只有红外的数据，是没办法的。所以欧几里得和罗曼用弱引力透镜研究宇宙学的话，必须有其他的项目提供可见光的多波段的测光数据。没有CSST之前，他们都是找地面的一些项目去谈合作，但地面和空间的观测分辨率还是非常不一样的。” 詹虎说。
这些地面的项目，可能就包括2022年底即将在智利开始全面运行的鲁宾天文台。届时，通过对星系进行多色测量，鲁宾就可以告诉我们这些星系有多远。
可以设想，在欧几里得开展大规模巡天时，鲁宾可以隔几晚回到欧几里得曾经观测过的同一个天区，观察随着时间的推移所发生的变化。鲁宾第一年的数据与欧几里得同一天区的数据将是一个不错的组合；鲁宾长达十年的光学数据和罗曼的红外测量的结合也会很强大。
在天、地望远镜配合方面，中国望远镜还存在一定的短板。
“谈到跟地面的配合，相比欧几里得或者是罗曼，我们还是有所欠缺的，因为中国地面光学天文的大设备还是很缺乏的。欧洲和美国都有大型的8至10米的地面光学红外望远镜。我一直呼吁中国也要建一些大型的地面光学望远镜，要早点解决，我们两米口径的空间望远镜即使发现一个东西，也还需要做做精细的光谱观测，而CSST本身光谱的功能还是比较弱的，虽然有无缝光谱，但只有两三百的谱分辨率，有时是不够的。地面望远镜没有大口径的，就做不了很精细的跟踪研究，这的确是一个缺陷。” 吴学兵说。
普查和精测的结合，也可能发生在不同的太空望远镜之间。比如，如果罗曼发现了一些有趣天体，韦伯太空望远镜（The James Webb Space Telescope）后续可以选择其作为主要目标，进行更详细的观测。
至少，三大空间望远镜的重叠结果可用于相互检查系统误差，这在高精度观测宇宙学不确定性的来源中是最重要的。詹虎透露，目前，CSST、欧几里得、罗曼等已经在探讨可能进行的一些合作。
05 一系列挑战CSST无疑是一项复杂而艰巨的任务，从望远镜本身到携带的设备，都有很多的机构参与研制（比如，承研及合作单位就包括了中国空间技术研究院、中科院长春光机所、上海技物所、国家天文台、光电技术研究所、紫金山天文台、南京天光所、西安光机所、上海天文台等），而后续的观测和科学数据分析，对于第一次从事如此规模的太空光学望远镜项目的中国科研人员，同样是挑战。
2020年，经载人航天工程办公室批准，CSST成立了科学工作联合中心和四个科学中心：北京大学科学中心、国家天文台科学中心、长三角地区科学中心和粤港澳大湾区科学中心。而每一个科学中心都有很多的单位参与组成（例如，国家天文台科学中心还包括了国家天文台、云南天文台、云南大学、清华大学、北京师范大学、中国科学院大学、理论物理研究所等单位，计划利用CSST全面开展天文科学研究）。
今年，科学中心的首批24项科学研究课题已经完成立项评审。然而，除了每个科学组拿到的40万启动经费，课题的大部分经费还在逐步拨付之中，预计年底到位。
一般情况下，从预制开始，在望远镜还未正式发射之前，科学团队就应得到资金的支持，开展软件研发、数据分析、仿真等一系列科学准备工作。一旦望远镜入轨完成调试，数据源源不断下传后，马上就可以产出科研成果；同时，发射前的科学准备工作做的充分，也利于望远镜的在轨调试。
“这个问题很重要，我们不能等着望远镜上线以后再来准备做事情，前期的研究是非常重要的。实际上我们前期的研究去年才刚刚开始来布局，相比起欧几里得或者是罗曼，起步已经有点晚了。” 吴学兵说。
吴学兵所在的北京大学科学中心主要负责星系领域的研究，目前正组织团队利用一些尽可能找得到的数据（比如哈勃的各种类型星系的图片和光谱数据）做一些模拟，积累研究经验。
CSST的科研经费主要从载人航天工程里取得，未来可能会寻求科技部、基金委、中科院等的资助。
CSST升空后，如果按照一天观测300次、每张图片5GB计算，一天的数据量将达到1.5TB。应对海量数据的分析，首要的是有足够多的人才，但这方面的缺口仍不小。
“24个课题大概有400多人参与，但问题是这些人也有很多其他的工作，不是全都只做一个项目，而且假如国内光学天文界有三、四百人做这个项目，基本上就把这个领域内的天文学家全都包括进来了。在美国、欧洲，同样体量的项目大约有上千人的参与，但也只占他们天文圈一小部分人力。” 詹虎说。
吴学兵希望，在今后一两年，可以把CSST科研团队迅速积累起来，这样到2024年望远镜升空后，就可以有个较完整的团队。“这个问题其实是很突出的，不光是在北大科学中心负责的星系这个领域，在其他的各个科学领域，利用空间望远镜来做科学研究的中国团队规模还是太小了，而且很缺乏经验。” 他说。
国际合作可能是一个较好的弥补人才不足的途径。同时，对于缺乏大型空间光学望远镜项目经验的中国科研人员，国际合作也能提供交流学习的机会。
与此同时，CSST的科学工作委员会已经把吸引、扩大研究团队作为当务之急，无论是通过海外招聘还是本土培养，甚至包括把一些研究生的课题调整到CSST相关的科研领域中来。
今年以来，在多个场合，陈建生对公众（甚至包括中学生）发表演讲，对CSST大加推广，期待未来的生力军可以加入进来。
吴学兵相信，三大巡天望远镜上天，覆盖的范围从紫外到光学再到红外，巡天的面积前所未有的大，各种数据空前的多，肯定会对宇宙研究带来革命性的认识。
“想想哈勃升空之前，人类对宇宙的了解是怎样的，到今天哈勃工作了30年，带给我们的对宇宙的认识有多大，你可以比较一下，很多都是革命性的——宇宙是加速膨胀的，有暗能量的存在等等。这三大望远镜上天工作，10年以后，你也很难想象，我们对宇宙的认识会发生怎样的变化。” 吴学兵说。
庆幸的是，在巡天的黄金时代，中国终于可以参与进来，CSST的升空或将带来影响深远的科学发现。“作为中国的天文学家，见证载人航天工程支持建造这么一个大口径空间望远镜的项目，是之前想都不敢想的事情。” 詹虎感叹道。在他看来，不仅是对年轻人，CSST对任何一个天文研究者，都是一个激动人心的项目。
参考资料：
1. http://www.euclid-ec.org/
2. http://roman.gsfc.nasa.gov/
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