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A broadband outburst of the compact steep-spectrum quasar 3C 138 in 2024-2026

Cet article rend compte de l'éruption à large bande de 2024–2026 du quasar à spectre raide compact 3C 138, caractérisée par un éclaircissement radio progressif et dépendant de la fréquence ainsi que par des éruptions simultanées de haute énergie qui s'expliquent au mieux par une phase d'activité à dominance de cœur impliquant un modèle de Compton par auto-synchrotron à une zone avec une répartition d'énergie accrue vers les électrons relativistes.

Auteurs originaux : T. V. Mufakharov (State Key Laboratory of Radio Astronomy and Technology, Xinjiang Astronomical Observatory, CAS, 150 Science 1-Street, Urumqi 830011, China, Special Astrophysical Observatory of the RT. V. Mufakharov (State Key Laboratory of Radio Astronomy and Technology, Xinjiang Astronomical Observatory, CAS, 150 Science 1-Street, Urumqi 830011, China, Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), Yu. V. Sotnikova (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia, Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences, 60th October Anniversary Prospect 7a, Moscow 117312, Russia), V. V. Vlasyuk (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), S. Yu. Sazonov (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), M. L. Khabibullina (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), A. G. Mikhailov (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), A. B. Pushkarev (Crimean Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nauchny 298409, Russia, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow 117997, Russia), T. An (Department of Astronomy, University of Science and Technology of China, 96 Jinzhai Road, Hefei, Anhui 230026, P. R. China), Y. A. Kovalev (Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow 117997, Russia, Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences, 60th October Anniversary Prospect 7a, Moscow 117312, Russia), Y. Y. Kovalev (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Auf dem Hügel 69, Bonn 53121, Germany), A. V. Popkov (Moscow Institute of Physics and Technology, Institutsky per. 9, Dolgoprudny 141700, Russia, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow 117997, Russia), M. A. Kharinov (Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, Kutuzova Embankment 10, St. Petersburg 191187, Russia), G. S. Uskov (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), I. Yu. Lapshov (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), E. V. Filippova (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), A. Yu. Tkachenko (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), K. V. Iuzhanina (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), A. K. Erkenov (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), R. Yu. Udovitskiy (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), O. I. Spiridonova (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), I. A. Rakhimov (Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, Kutuzova Embankment 10, St. Petersburg 191187, Russia), T. S. Andreeva (Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, Kutuzova Embankment 10, St. Petersburg 191187, Russia), A. A. Ogloblin (Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, Kutuzova Embankment 10, St. Petersburg 191187, Russia, St. Petersburg Academic University of the Russian Academy of Sciences, Khlopina St. 8/3A, St. Petersburg 194021, Russia)

Publié 2026-08-07

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : T. V. Mufakharov (State Key Laboratory of Radio Astronomy and Technology, Xinjiang Astronomical Observatory, CAS, 150 Science 1-Street, Urumqi 830011, China, Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), Yu. V. Sotnikova (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia, Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences, 60th October Anniversary Prospect 7a, Moscow 117312, Russia), V. V. Vlasyuk (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), S. Yu. Sazonov (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), M. L. Khabibullina (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), A. G. Mikhailov (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), A. B. Pushkarev (Crimean Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nauchny 298409, Russia, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow 117997, Russia), T. An (Department of Astronomy, University of Science and Technology of China, 96 Jinzhai Road, Hefei, Anhui 230026, P. R. China), Y. A. Kovalev (Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow 117997, Russia, Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences, 60th October Anniversary Prospect 7a, Moscow 117312, Russia), Y. Y. Kovalev (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Auf dem Hügel 69, Bonn 53121, Germany), A. V. Popkov (Moscow Institute of Physics and Technology, Institutsky per. 9, Dolgoprudny 141700, Russia, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow 117997, Russia), M. A. Kharinov (Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, Kutuzova Embankment 10, St. Petersburg 191187, Russia), G. S. Uskov (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), I. Yu. Lapshov (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), E. V. Filippova (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), A. Yu. Tkachenko (Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Profsoyuznaya Street 84/32, Moscow 117997, Russia), K. V. Iuzhanina (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), A. K. Erkenov (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), R. Yu. Udovitskiy (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), O. I. Spiridonova (Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Arkhyz 369167, Russia), I. A. Rakhimov (Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, Kutuzova Embankment 10, St. Petersburg 191187, Russia), T. S. Andreeva (Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, Kutuzova Embankment 10, St. Petersburg 191187, Russia), A. A. Ogloblin (Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, Kutuzova Embankment 10, St. Petersburg 191187, Russia, St. Petersburg Academic University of the Russian Academy of Sciences, Khlopina St. 8/3A, St. Petersburg 194021, Russia)

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

L'Appel au Réveil Cosmique

Imaginez l'univers comme un vaste océan sombre, et parsemés à travers lui, des phares. La plupart de ces phares sont constants, projetant une lumière selon un rythme prévisible. Mais certains sont des « noyaux actifs de galaxies » (AGN) — des trous noirs supermassifs au centre de galaxies qui dévorent activement du gaz et de la poussière. En festinant, ils recrachent d'énormes jets de particules se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Habituellement, ces jets sont comme des rivières calmes, coulant régulièrement. Cependant, il arrive parfois que quelque chose se produise au plus profond du jet pour provoquer une explosion massive d'énergie, une « éruption », qui illumine tout le spectre électromagnétique, des ondes radio invisibles aux rayons gamma mortels.

Les scientifiques sont depuis longtemps intrigués par un type spécifique de ces phares cosmiques appelés quasars à « spectre raide compact » (CSS). Considérez-les comme les « adolescents » du monde des trous noirs. Ils sont jeunes, et leurs jets heurtent encore le gaz épais de leur galaxie d'origine, ce qui les maintient généralement calmes et cachés. Ils ne sont pas censés être les fêtards sauvages et énergiques qui se mettent soudainement à hurler à travers l'univers. Mais quand l'un de ces adolescents « calmes » commence soudainement à organiser une fête massive et multicolore, cela nous indique qu'un changement majeur s'opère à l'intérieur du moteur du trou noir. Comprendre ces éclats rares nous aide à comprendre comment les trous noirs s'éveillent, comment leurs jets sont construits, et ce qui se passe lorsque les règles du jeu changent soudainement.

Le Grand Éveil de 3C 138

Pendant des décennies, le quasar 3C 138 a été un peu assoupissant. C'était un quasar à « spectre raide compact », un système de trou noir jeune qui était resté relativement calme et stable. Mais en commençant en 2024 et en se poursuivant jusqu'en 2026, ce dormeur cosmique s'est soudainement réveillé et a organisé la fête la plus bruyante et la plus colorée que les astronomes aient jamais vue. Une équipe de chercheurs, agissant comme des détectives cosmiques, a suivi cet événement en utilisant un réseau massif de télescopes observant tout, des ondes radio aux rayons gamma. Ce qu'ils ont découvert est l'histoire d'un jet qui ne s'est pas contenté de s'intensifier ; il s'est complètement reconfiguré.

Le Frémissement Radio : Une Onde Dépendante de la Fréquence
Le premier indice est venu des ondes radio. Imaginez une vague dans un stade où les spectres du premier rang se lèvent en premier, et la vague ondule lentement vers l'arrière. C'est exactement ce qui s'est passé avec 3C 138. L'intensification radio a commencé aux fréquences les plus élevées (le « premier rang » du jet) autour de 2022 et a lentement percolé vers les fréquences plus basses. Entre 2024 et 2026, les ondes radio à haute fréquence (environ 22 GHz) étaient devenues incroyablement brillantes, tandis que les fréquences plus basses rattrapaient lentement leur retard.

Les scientifiques ont remarqué quelque chose d'étrange concernant la « couleur » de ces ondes radio. Avant la fête, le spectre radio était « raide », ce qui signifie qu'il était faible aux hautes fréquences. Mais pendant l'éruption, le spectre s'est « durci » et est devenu « plat » ou même « inversé ». En termes courants, le jet a soudainement commencé à pomper beaucoup plus d'ondes radio à haute énergie qu'auparavant, suggérant qu'une composante nouvelle, compacte et très énergétique était apparue juste près du cœur du trou noir. Ce n'était pas seulement un simple hoquet temporaire ; c'était un changement à long terme dans le comportement du jet.

L'Explosion de Haute Énergie : Gamma, Rayons X et Lumière
Pendant que les ondes radio s'éveillaient lentement, le côté haute énergie de la fête passait en mode surrégime. L'équipe a observé un pic massif de rayons gamma (la lumière la plus énergétique de l'univers) et de rayons X. Entre 2025 et 2026, le flux de rayons X a plus que triplé. Plus spectaculaire encore, la « couleur » des rayons X a changé : l'indice de photons, qui mesure la dureté des rayons X, est passé d'un index doux de 1,6 à un index très dur de 0,9, avant de s'adoucir à nouveau après le pic.

La lumière optique (visible) a également rejoint la bataille. Après avoir été calme pendant des années, le quasar s'est intensifié, passant d'environ 0,5 millijansky à près de 4,7 millijanskys vers la fin de 2025. Lorsque les scientifiques ont décomposé les courbes de lumière, ils ont trouvé cinq éruptes de rayons gamma distinctes et une séquence de sous-éruptions optiques. La partie la plus excitante ? Les pics des éruptes de rayons gamma, de rayons X et de lumière optique se sont tous produits dans une fenêtre minuscule d'environ 13 jours. Ce timing serré suggère qu'un événement unique et violent dans le jet interne a déclenché les trois types de lumière presque simultanément.

Le Mystère du Nœud Manquant
Habituellement, lorsqu'un jet de trou noir entre en éruption, les scientifiques s'attendent à voir un nouveau « nœud » ou un amas de matière projeté le long du jet, comme une balle sortant d'un fusil. Cependant, des images récentes à haute résolution provenant d'autres télescopes (VLBI, VLA et ALMA) ont montré quelque chose de différent. Il n'y avait pas de nouveau nœud s'éloignant. Au lieu de cela, l'intensification se produisait directement au cœur. La « balle » n'était pas encore sortie du canon ; le canon lui-même devenait simplement beaucoup plus chaud et brillant.

Lorsque les chercheurs ont tenté de calculer l'équilibre entre le champ magnétique et l'énergie des particules dans ce nouveau cœur, ils ont découvert que la réponse dépendait entièrement de l'inclinaison du jet par rapport à notre vue. Selon certains angles de vue, le champ magnétique semblait beaucoup plus faible que l'énergie des particules, suggérant un jet dominé par les particules. Dans d'autres angles, le champ magnétique semblait plus fort. Comme l'inclinaison exacte du jet est encore incertaine, les scientifiques ne peuvent pas affirmer avec certitude si le jet est dominé par les particules ou par les champs magnétiques ; ils peuvent seulement dire que l'équilibre change radicalement pendant l'éruption, quel que soit l'angle.

Synthèse : La Théorie des Deux Régimes
L'article propose une histoire fascinante en deux parties pour expliquer ce chaos.

La Voie Rapide : Les rayons gamma, les rayons X et la lumière optique proviennent d'une région minuscule et compacte très proche du trou noir. C'est là que se déroule l'action réelle — une perturbation qui accélère les particules à des vitesses incroyables, les faisant briller intensément en lumière de haute énergie. Cette région est si petite et rapide qu'elle peut s'intensifier ou s'estomper en quelques jours seulement.
La Voie Lente : Les ondes radio proviennent d'une partie plus large et plus étendue du jet. À mesure que la perturbation s'éloigne du cœur, il faut du temps pour que les ondes radio deviennent visibles. Au début, les ondes radio de plus basse fréquence sont bloquées (absorbées) par le gaz épais dans le jet. À mesure que la perturbation progresse et que le gaz s'amincit, les ondes radio à différentes fréquences « s'allument » une par une, en commençant par les hautes fréquences et en descendant lentement. C'est pourquoi l'intensification radio ressemble à une vague lente et roulante plutôt qu'à une explosion soudaine.

Ce que les Scientifiques Savent (et Ne Savent Pas)
Les chercheurs sont très convaincus que 3C 138 subit une reconfiguration majeure et à long terme de son jet interne, pilotée par une perturbation évoluant à travers un environnement « stratifié » (en couches). Ils sont également certains que les éruptes de haute énergie et l'intensification optique sont liées au même événement, étant donné leur coïncidence de 13 jours.

Cependant, ils veillent à ne pas prétendre avoir résolu l'intégralité du puzzle. Ils ont testé différents modèles pour voir si la lumière provenait de particules s'entrechoquant (Synchrotron Self-Compton) ou si elle était boostée par la lumière du gaz environnant (External Compton). Leurs modèles suggèrent que le scénario du « choc de particules » fonctionne bien, mais ils ne peuvent pas exclure totalement l'autre option car les données sont un peu parcellaires. Ils notent également que, bien qu'ils voient un nouveau cœur brillant, ils n'ont pas encore vu de nouveau nœud se séparer de celui-ci, donc le mécanisme exact de la façon dont le jet est énergisé reste un peu mystérieux. Crucialement, bien que les données montrent que l'équilibre énergétique bascule fortement vers les particules pendant l'éruption, la force absolue du champ magnétique par rapport aux particules dépend de l'angle de vue inconnu, ils ne peuvent donc pas affirmer de manière définitive quelle force domine le jet.

En bref, 3C 138 est un jeune trou noir qui a décidé de grandir vite. Il ne fait pas seulement une crise de colère ; il est en train de réécrire les règles de son propre moteur. Les ondes radio sont le tonnerre lent et roulant de la tempête, tandis que les rayons gamma et les rayons X sont les éclairs frappant directement au centre. Cet événement offre aux scientifiques un siège privilégié au premier rang pour observer un jeune jet apprendre à devenir une puissance, prouvant que même les « adolescents calmes » de l'univers peuvent connaître des moments explosifs.

Résumé technique : Un sursaut à large bande du quasar à spectre raide compact 3C 138 en 2024–2026

Problématique et Contexte
Le quasar à spectre raide compact (CSS) 3C 138 ( $z=0,759$ ) est généralement interprété comme un noyau actif de galaxie (AGN) radio-fort jeune ou « frustré », où le jet interagit fortement avec le milieu interstellaire. Historiquement, ces objets présentent de faibles taux de détection à haute énergie. Bien que 3C 138 ait montré un mouvement superluminal et un écran de Faraday non uniforme, il n'a pas typiquement affiché les éruptions gamma intenses caractéristiques des blazars. L'article traite de la phase d'activité multi-longueurs d'onde inhabituelle entrée par 3C 138 entre 2024 et 2026, caractérisée par un fort sursaut à large bande. L'étude vise à caractériser cet événement, à déterminer les conditions physiques au sein du jet interne, et à distinguer les événements d'éruption localisés des reconfigurations globales de la région émettrice.

Méthodologie
Les auteurs ont mené une campagne de surveillance multi-longueurs d'onde coordonnée avec une cadence accrue, combinant :

Radio : Un suivi dense multi-fréquences de 1 à 22 GHz à l'aide des télescopes RATAN-600 et RT-32, ainsi que des données millimétriques/submillimétriques (38–343 GHz) issues du catalogue de sources calibratrices d'ALMA.
Optique : Des observations en bande R avec Zeiss-1000 et AS-500/2 (depuis juillet 2025), complétées par des données d'archives de CRTS et ZTF. La spectroscopie a été obtenue avec l'instrument SCORPIO-2 sur le télescope de 6 m BTA.
Rayons X : Des observations de type « cible opportuniste » (ToO) et des observations pointées utilisant Swift/XRT et SRG/ART-XC (4–30 keV), parallèlement à des données historiques de Chandra et eROSITA.
Rayons $\gamma$ : Analyse de la courbe de lumière de Fermi-LAT (0,1–300 GeV) de 2008 à 2026.

L'analyse a consisté à décomposer les courbes de lumière en profils exponentiels paramétriques pour caractériser les échelles de temps des éruptions, calculer les indices spectraux à travers les bandes de fréquences, et construire des SED (distributions spectrales d'énergie) à deux états représentant un état « calme » historique et l'état de « pic principal » (centré sur les maxima simultanés des flux $\gamma$ , X et optiques). Ces SED ont été modélisées à l'aide du package JetSet sous diverses géométries relativistes (variant le facteur Doppler $\delta$ , l'angle de vue $\theta$ et le facteur de Lorentz de groupe $\Gamma$ ) pour tester les scénarios de Compton auto-synchrotron (SSC) par rapport aux scénarios de Compton externe (EC).

Résultats Clés

Évolution Radio : Le brillant radio s'est accéléré après 2022, montrant une progression claire dépendante de la fréquence. L'augmentation du flux a été la plus forte aux hautes fréquences (11–22 GHz), le flux à 22 GHz augmentant d'environ 0,55 Jy an $^{-1}$ après 2022. L'indice spectral à haute fréquence (11–22 GHz) est passé d'un profil raide ( $\alpha \sim -0,8$ ) à un profil plat ou inversé ( $\alpha \gtrsim 0,2$ ), indiquant l'émergence d'une composante synchrotron compacte et auto-absorbante qui devient optiquement mince en premier aux hautes fréquences.
Variabilité Haute Énergie et Optique : Les bandes $\gamma$ , X et optique ont présenté de fortes éruptions. La courbe de lumière $\gamma$ a révélé cinq éruptions distinctes, tandis que la courbe de lumière optique a montré une séquence de sous-éruptions superposées à un épisode de lélévation plus large. Les maxima dans les bandes $\gamma$ , X et optique se sont produits dans un intervalle de $\simeq 13$ jours, suggérant un épisode d'activité compact commun.
Durcissement Spectral : Le flux de rayons X a augmenté d'un facteur $>3$ durant 2025–2026. L'indice de photon s'est considérablement durci, passant de $\Gamma_X \simeq 1,6$ à $\simeq 0,9$ au pic avant de s'adoucir à nouveau. Le spectre optique est resté sans caractéristiques avec un continuum de loi de puissance non thermique, typique des AGN, avec de faibles raies d'émission ([O III], H $\beta$ ).
Modélisation des SED : Les SED éparses à deux états (calme vs pic) ont été représentées avec succès par des solutions SSC à une zone sous diverses géométries. Bien que les modèles SSC+EC-BLR aient été testés, la contribution EC est restée mineure et dépendante de la géométrie. La modélisation indique un fort déplacement de la partition énergétique vers les électrons relativistes pendant l'éruption (le rapport $U_e/U_B$ augmente de facteurs $10^2$ – $10^4$ ), bien que la magnétisation absolue reste dépendante de la géométrie supposée.
Amplitudes de Variabilité : L'amplitude de variabilité fractionnaire ( $F_{var}$ ) a augmenté systématiquement avec la fréquence dans la bande radio et a été la plus élevée dans les bandes $\gamma$ et optique, ce qui est cohérent avec une région compacte variant rapidement dominant l'émission de haute énergie et une réponse plus lente, affectée par l'opacité, dans le radio.

Signification et Revendications
L'article affirme que l'événement 2024–2026 dans 3C 138 n'est pas une simple éruption isolée mais une reconfiguration soutenue du jet interne. Les auteurs proposent un scénario où une perturbation évolue à travers un jet structurellement complexe et stratifié en opacité :

L'activité rapide en haute énergie et en optique trace une région interne compacte où l'accélération des particules et le boost Doppler sont efficaces.
L'élévation plus lisse et dépendante de la fréquence dans le radio/mm reflète l'évolution ultérieure, pilotée par l'opacité, d'une composante synchrotron compacte à mesure qu'elle devient visible dans des régions de plus en plus transparentes du jet.

Cette interprétation est soutenue par le durcissement du spectre radio dépendant de la fréquence, les délais temporels entre les pics haute énergie et radio, ainsi que les preuves récentes de VLBI/VLA/ALMA montrant un éclaircissement dominé par le cœur sans nouveaux nœuds résolus. L'étude souligne que même les quasars CSS, qui ne sont pas observés sous des angles extrêmes de type blazar, peuvent subir des épisodes de production de GeV efficaces, offrant une occasion rare d'étudier l'évolution intrinsèque des jets et la propagation des perturbations dans un flux relativiste stratifié. Les auteurs notent que la phase active est en cours, comme en témoigne une autre éruption brillante en $\gamma$ en mai 2026.

L'Appel au Réveil Cosmique

Le Grand Éveil de 3C 138

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