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Thin accretion disk and gravitational capture cross sections of a quantum Oppenheimer--Snyder black hole immersed in an external magnetic field

यह शोध पत्र एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में डूबे हुए क्वांटम ओपनहाइमर-सिडनी ब्लैक होल के लिए पतले अभिवृद्धि डिस्क (एक्रेशन डिस्क) के गुणों और गुरुत्वाकर्षण कैप्चर क्रॉस-सेक्शन की जांच करता है, जिससे यह पता चलता है कि जबकि क्वांटम पैरामीटर डिस्क के अवलोकनीय गुणों को केवल कमजोर रूप से प्रभावित करता है और कैप्चर क्रॉस-सेक्शन को सिकोड़ता है, चुंबकीय युग्मन (मैग्नेटिक कपलिंग) रेडिएटिव दक्षता और स्पेक्ट्रल पीक्स को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है और भारी कणों के लिए कैप्चर क्रॉस-सेक्शन को बड़ा करता है।

मूल लेखक: Anuar Idrissov, Hernando Quevedo

प्रकाशित 2026-09-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Anuar Idrissov, Hernando Quevedo

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

ब्रह्मांड के सबसे गहरे छोरों में, जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र है कि वह अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने को भी मोड़ देता है, पदार्थ अक्सर एक ब्लैक होल की ओर अंदर की ओर घूमता है। जैसे-जैसे यह सामग्री गिरती है, यह सीधे अंदर नहीं गिरती; इसके बजाय, यह एक चपटे, घूमते हुए डिस्क में घूमती है, बिल्कुल वैसे ही जैसे पानी नाली में जाता है। इस घूमते हुए डिस्क के भीतर घर्षण पदार्थ को लाखों डिग्री तक गर्म कर देता है, जिससे यह चमकदार प्रकाश के साथ चमकने लगता है। इस प्रकाश का अध्ययन करके, खगोलशास्त्री केंद्र में स्थित अदृश्य वस्तु की प्रकृति का अनुमान लगा सकते हैं। दशकों से, इन वस्तुओं के लिए मानक मॉडल अल्बर्ट आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत द्वारा वर्णित ब्लैक होल रहा है, जो अंतरिक्ष का एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना मजबूत होता है कि एक बार एक निश्चित सीमा को पार करने के बाद प्रकाश सहित कुछ भी बच नहीं पाता। हालाँकि, कई भौतिकविदों का मानना है कि इन वस्तुओं के बिल्कुल केंद्र में, जहाँ घनत्व अनंत हो जाता है, आइंस्टीन का सिद्धांत विफल हो जाता है और इसे एक ऐसे सिद्धांत द्वारा प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए जो गुरुत्वाकर्षण को क्वांटम यांत्रिकी के साथ एकीकृत करता हो।

हाल के कार्यों में एक विशिष्ट, गणितीय रूप से सटीक मॉडल का अन्वेषण किया गया है कि ऐसा क्वांटम-सुधारित ब्लैक होल कैसा दिख सकता है। यह मॉडल, जिसे क्वांटम ओपेनहाइमर-सिडनीर ब्लैक होल के रूप में जाना जाता है, यह सुझाव देता है कि एक तारे का हिंसक पतन अनंत घनत्व वाले एक विलक्षण बिंदु (सिंगुलैरिटी) पर समाप्त नहीं होता है, बल्कि एक थोड़े अलग गुरुत्वाकर्षण संरचना वाले स्थिर, सघन पिंड को पीछे छोड़ देता है। यह समझने के लिए कि यह वस्तु वास्तविक ब्रह्मांड में कैसे व्यवहार करेगी, शोधकर्ताओं को यह विचार करना पड़ा कि ब्लैक होल शायद ही कभी अकेले होते हैं; वे अक्सर अपने चारों ओर घूमती हुई, विद्युत रूप से आवेशित गैस द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्रों से घिरे होते हैं। प्रश्न यह था कि क्या ये चुंबकीय क्षेत्र और गुरुत्वाकर्षण के सूक्ष्म क्वांटम सुधार, अभिवसन डिस्क (एक्रीशन डिस्क) से उत्सर्जित होने वाले प्रकाश पर एक पता लगाने योग्य छाप छोड़ेंगे।

भौतिकविदों की एक टीम ने अब ठीक से मानचित्रित किया है कि एक समान चुंबकीय क्षेत्र में डूबे हुए इस क्वांटम ब्लैक होल के चारों ओर पदार्थ की एक पतली, चमकती हुई डिस्क कैसे व्यवहार करेगी। उन्होंने कणों के पथ, डिस्क के तापमान और प्रकाश के रूप में उत्सर्जित ऊर्जा की मात्रा की गणना की, और अपने परिणामों की तुलना एक मानक ब्लैक होल के भविष्यवाणियों से की। उनका कार्य इन दो बलों के बीच काम के एक स्पष्ट विभाजन को प्रकट करता है। क्वांटम सुधार, जो शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण से विचलन का प्रतिनिधित्व करता है, डिस्क की उपस्थिति पर आश्चर्यजनक रूप से सौम्य प्रभाव डालता है। इस क्वांटम प्रभाव की शक्ति को बदलने से प्रकाश की चमक और रंग में केवल मामूली बदलाव आता है, जिससे इसे केवल डिस्क के आधार पर एक मानक ब्लैक होल से अलग पहचानना कठिन हो जाता है।

इसके विपरीत, चुंबकीय क्षेत्र एक शक्तिशाली प्रवर्धक (एम्प्लीफायर) के रूप में कार्य करता है। जब शोधकर्ताओं ने एक चुंबकीय क्षेत्र पेश किया, तो डिस्क नाटकीय रूप से अधिक चमकदार और गर्म हो गई। उत्सर्मित प्रकाश का शिखर उच्च आवृत्तियों की ओर स्थानांतरित हो गया, जिसका अर्थ है कि डिस्क अधिक ऊर्जावान प्रकाश के साथ चमकी। ब्लैक होल जिस दक्षता के साथ गिरते हुए पदार्थ को विकिरण में परिवर्तित करता है, वह काफी बढ़ गया, जो गैर-चुंबकीय मामले में लगभग छह प्रतिशत से बढ़कर मजबूत चुंबकीय जुड़ाव के साथ लगभग बाईस प्रतिशत हो गया। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि चुंबकीय क्षेत्र डिस्क में आवेशित कणों पर बल लगाता है, जिससे उनकी कक्षा बदल जाती है और उन्हें अंदर गिरने से पहले अधिक ऊर्जा मुक्त करने की अनुमति मिलती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र डिस्क के आंतरिक किनारे को संकुचित करता है, जिससे सबसे तीव्र विकिरण एक छोटे से क्षेत्र में केंद्रित हो जाता है।

जबकि चुंबकीय क्षेत्र चमकती हुई डिस्क की उपस्थिति पर हावी होता है, क्वांटम पैरामीटर ब्लैक होल की प्रकाश और पदार्थ को निगलने की क्षमता के मामले में एक अलग भूमिका निभाता है। शोधकर्ताओं ने "कैप्चर क्रॉस सेक्शन" की गणना की, जो अनिवार्य रूप से उस लक्ष्य के प्रभावी आकार को दर्शाता है जो एक ब्लैक होल आने वाले कणों के सामने प्रस्तुत करता है। उन्होंने पाया कि क्वांटम सुधार इस लक्ष्य को छोटा कर देता है। प्रकाश कणों के लिए, जो चुंबकीय क्षेत्र से प्रभावित नहीं होते हैं, क्वांटम पैरामीटर बढ़ने के साथ ब्लैक होल की छाया का आकार घट जाता है। इसका अर्थ है कि एक क्वांटम ब्लैक होल, समान द्रव्यमान वाले मानक ब्लैक होल की तुलना में आकाश में थोड़ा छोटा दिखाई देगा। विशाल कणों के लिए, चुंबकीय क्षेत्र वास्तव में कैप्चर क्षेत्र को बढ़ाता है, लेकिन क्वांटम प्रभाव फिर भी इसे छोटा करने का काम करता है।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज ब्लैक होल के करीब पहुँचने वाले आवेशित कणों के भाग्य से संबंधित है। एक चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, शोधकर्ताओं ने पाया कि आवेशित कण ब्लैक होल तक बहुत दूर से नहीं पहुँच सकते। चुंबकीय क्षेत्र एक ढाल के रूप में कार्य करता है, एक ऐसी सीमा बनाता है जिसके आगे कण पकड़े जाने से पहले ही दूर धकेल दिए जाते हैं। यह "चुंबकीय सुरक्षा त्रिज्या" (मैग्नेटिक शील्डिंग रेडियस) क्षेत्र और कण की गति पर निर्भर करती है, जो प्रभावी रूप से ब्लैक होल को उसके वातावरण के आवेशित घटक से सुरक्षित रखती है। केवल वे कण जो अभिवसन डिस्क के भीतर घर्षण के माध्यम से अपने कोणीय संवेग को खो देते हैं, अंततः अंदर की ओर घूम सकते हैं।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि ये दो कारक—ब्लैक होल की क्वांटम प्रकृति और बाहरी चुंबकीय क्षेत्र—विशिष्ट और अलग किए जाने योग्य संकेत छोड़ते हैं। चुंबकीय क्षेत्र प्रकाश की तीव्रता और रंग को नियंत्रित करता है, जबकि क्वांटम पैरामीटर ब्लैक होल की छाया के आकार और कणों के कैप्चर को सूक्ष्म रूप से प्रभावित करता है। चूंकि वे अलग-अलग तरीकों से और विपरीत दिशाओं में प्रभाव डालते हैं, इसलिए सिद्धांत रूप में खगोलशास्त्री इन दोनों प्रभावों को अलग कर सकते हैं। डिस्क की चमक के माप को ब्लैक होल की छाया के अवलोकन के साथ जोड़कर, यह पता लगाना संभव हो सकता है कि क्या ब्रह्मांड वास्तव में आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण के सुचारू वक्रों द्वारा शासित है या इस नए मॉडल द्वारा सुझाए गए असतत, क्वांटम चरणों द्वारा। यह कार्य एक ठोस रोडमैप प्रदान करता है कि भविष्य के टेलीस्कोप कैसे परीक्षण कर सकते हैं कि क्या ब्रह्मांड वास्तव में आइंस्टीन के सुचारू वक्रों द्वारा शासित है या इस नए मॉडल द्वारा सुझाए गए असतत, क्वांटम चरणों द्वारा।

तकनीकी सारांश: एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में डूबे हुए क्वांटम ओपेनहाइमर-सिनेर (qOS) ब्लैक होल के पतले अभिव्र्षण डिस्क (Accretion Disk) और गुरुत्वाकर्षण कैप्चर क्रॉस सेक्शन का अध्ययन

समस्या विवरण
शास्त्रीय ओपेनहाइमर-सिनेर (OS) मॉडल का गुरुत्वाकर्षण पतन (gravitational collapse) एक वक्रता विलक्षणता (curvature singularity) पर समाप्त होता है, जो प्लैंक स्केल पर सामान्य सापेक्षता की विफलता को दर्शाता है। लूप क्वांटम कॉस्मोलॉजी से प्रेरित होकर, एक क्वांटम-संशोधित OS (qOS) मॉडल प्रस्तावित किया गया है, जिसमें एक एकल क्वांटम पैरामीटर, $\alpha$ , द्वारा अभिलक्षित एक स्थिर, गोलाकार सममित बाहरी ज्यामिति (exterior geometry) होती है। जबकि इस मॉडल का अध्ययन ऊष्मागतिकी (thermodynamics), शैडो (shadows) और कण गतिशीलता के लिए किया गया है, खगोलीय चुंबकीय क्षेत्रों के साथ इसकी अंतःक्रिया और परिणामस्वरूप होने वाले अवलोकनीय संकेतों (observable signatures) का अन्वेषण अभी तक नहीं किया गया है। वास्तविक सघन पिंड (compact objects) आमतौर पर चुंबकीय क्षेत्रों में डूबे होते हैं, जो, भले ही पृष्ठभूमि ज्यामिति को बदलने के लिए बहुत कमजोर हों, आवेशित द्रव्य (charged matter) की गति को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। यह शोध एक बाहरी, स्पर्शोन्मुखी समान (asymptotically uniform) चुंबकीय क्षेत्र में डूबे हुए qOS ब्लैक होल के लिए एक ज्यामितीय रूप से पतली, प्रकाशिक रूप से मोटी नोविकोव-थॉर्न (NT) अभिव्र्षण डिस्क और गुरुत्वाकर्षण कैप्चर क्रॉस सेक्शन के गुणों की जांच करता है।

अध्ययन पद्धति
यह अध्ययन qOS मेट्रिक का उपयोग करता है, जिसमें लैप्स फंक्शन (lapse function) में $\alpha M^2/r^4$ के समानुपाती एक क्वांटम सुधार पद शामिल है। बाहरी ज्यामिति स्थिर और गोलाकार सममित है। एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को वाल्ड समाधान (Wald solution) के माध्यम से पेश किया गया है, जिसे गैर-रिसि-फ्लैट (non-Ricci-flat) पृष्ठभूमि के लिए अनुकूलित किया गया है। चूंकि स्पेसटाइम स्थिर है, इसलिए वाल्ड विभव (potential) विशुद्ध रूप से अक्षीय ( $A_\phi \propto r^2 \sin^2\theta$ ) है, और क्षेत्र केवल एक एकल चुंबकीय युग्मन पैरामीटर $b = \bar{q}B$ द्वारा नियंत्रित, कमजोर रूप से आवेशित अभिव्र्षण द्रव्य पर लोरेन्त्ज़ बल (Lorentz force) के माध्यम से डिस्क पर कार्य करता है।

विश्लेषण दो मुख्य भागों में आगे बढ़ता है:

अभिव्र्षण डिस्क अवलोकन (Accretion Disk Observables): NT ढांचे का उपयोग करते हुए, लेखक आवेशित वृत्ताकार कक्षाओं, आंतरिक स्थिर वृत्ताकार कक्षा (ISCO), विकिरण फ्लक्स, प्रभावी तापमान, रेडशिफ्ट कारकों और स्पेक्ट्रल ल्यूमिनोसिटी को व्युत्पन्न करते हैं। विकिरण दक्षता को $\eta = 1 - E_{ms}$ के रूप में गणना की जाती है, जहाँ $E_{ms}$ ISCO पर विशिष्ट ऊर्जा है।
गुरुत्वाकर्षण कैप्चर (Gravitational Capture): लेखक द्रव्यहीन कणों (फोटॉन), विशाल तटस्थ कणों और आवेशित कणों के लिए कैप्चर क्रॉस सेक्शन की गणना करते हैं। इसमें मार्जिनली बाउंड ऑर्बिट, फोटॉन स्फीयर और क्रिटिकल इम्पैक्ट पैरामीटर्स का निर्धारण शामिल है।

यह अध्ययन $\alpha$ के संपूर्ण स्वीकार्य सीमा ( $-1 \le \alpha \le 2.8$ ) को कवर करता है, जिसमें दो क्षितिज (horizons), एक चरम विन्यास (extremal configuration), और क्षितिजहीन सघन पिंड शामिल हैं। विश्लेषण को श्वास्र्वार्श्व (Schwarzschild) सीमा ( $\alpha=0, b=0$ ) के विरुद्ध मान्य किया गया है और बोलमेट्रिक ल्यूमिनोसिटी और दक्षता के बीच वैश्विक पहचान ( $L_\infty = \eta \dot{m}$ ) के विरुद्ध भी।

प्रमुख योगदान और परिणाम

पैरामीटर रेंज और शासन (Regimes): एक पतली डिस्क मॉडल के लिए स्वीकार्य सीमा चरम क्षितिज सीमा ( $\alpha = 27/16$ ) द्वारा नहीं, बल्कि $\alpha_{max} \approx 2.85$ पर फोटॉन स्फीयर के गायब होने द्वारा सीमित है। इसके आगे, फोटॉन स्फीयर लुप्त हो जाता है, और वृत्ताकार कक्षा की शाखा नीचे की ओर अनबाउंड हो जाती है, जिससे NT आंतरिक सीमा स्थिति अर्थहीन हो जाती है।
कक्षीय गतिशीलता (Orbital Dynamics):
- क्वांटम पैरामीटर ( $\alpha$ ): कक्षीय मात्राओं पर इसका प्रभाव कमजोर है। जैसे-जैसे $\alpha$ , $-1 $से$ 2.8 $तक बढ़ता है, ISCO त्रिज्या$ 6.145M $से घटकर$ 5.477M$ हो जाती है। ISCO पर विशिष्ट ऊर्जा न्यूनतम परिवर्तन दिखाती है (0.9438 से 0.9390)।
- चुंबकीय युग्मन ( $b$ ): चुंबकीय क्षेत्र का गहरा प्रभाव पड़ता है। यह कक्षीय कोणीय वेग को काफी कम कर देता है (बड़े त्रिज्या पर $|b|=0.20$ के लिए $94\%$ तक), क्योंकि लोरेन्ץ बल अभिकेंद्री बल (centripetal force) का एक हिस्सा प्रदान करता है। ISCO $|b|=0.20$ पर $3.919M$ तक सिकुड़ जाता है, और विशिष्ट ऊर्जा गिरकर $0.7827$ हो जाती है, जो बहुत अधिक बंधन (tighter binding) को दर्शाता है।
अभिव्र्षण डिस्क अवलोकन:
- फ्लक्स और तापमान: क्वांटम पैरामीटर पूरे रेंज में शिखर रेडिएटिव फ्लक्स को केवल $32\%$ बढ़ाता है। इसके विपरीत, चुंबकीय युग्मन शिखर फ्लक्स को $17.9$ के कारक से बढ़ाता है (at $|b|=0.20$ ) और शिखर को अंदर की ओर स्थानांतरित करता है। प्रभावी तापमान समान रुझानों का पालन करता है लेकिन चौथे मूल (fourth-root) की निर्भरता के कारण संकुचित डायनेमिक रेंज दिखाता है।
- स्पेक्ट्रल ल्यूमिनोसिटी: चुंबकीय युग्मन स्पेक्ट्रल शिखर की ऊंचाई को $4.0 $के कारक से बढ़ाता है और इसे उच्च आवृत्तियों की ओर$ 2.1$ के कारक से स्थानांतरित करता है, जिससे स्पेक्ट्रम कठोर (hardening) हो जाता है। क्वांटम पैरामीटर शिखर आवृत्ति को केवल $0.025$ dex से स्थानांतरित करता है।
- विकिरण दक्षता: पूरी $\alpha$ रेंज में दक्षता $\eta$ में $0.5 $प्रतिशत अंक से भी कम का परिवर्तन होता है ($ 5.6% \to 6.1% $)। हालांकि, चुंबकीय युग्मन$ |b|=0.20 $पर दक्षता को$ 21.7% $तक बढ़ा देता है, जो$ 3.75$ गुना वृद्धि है।
गुरुत्वाकर्षण कैप्चर क्रॉस सेक्शन:
- फोटॉन: चूंकि फोटॉन तटस्थ होते हैं, इसलिए उनका कैप्चर क्रॉस सेक्शन चुंबकीय क्षेत्र से स्वतंत्र है। क्वांटम पैरामीटर फोटॉन स्फीयर और क्रॉस सेक्शन को सिकोड़ता है ( $\alpha=2.8$ पर $\approx 18\%$ तक)। अतः, शैडो अवलोकन केवल $\alpha$ के प्रति संवेदनशील हैं।
- विशाल तटस्थ कण: क्वांटम पैरामीटर कैप्चर क्रॉस सेक्शन को कम करता है (एक प्रतिकर्षक पद के रूप में कार्य करता है), जबकि चुंबकीय क्षेत्र का तटस्थ कणों पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।
- आवेशित कण: समान चुंबकीय क्षेत्र आवेशित कणों को सीमित करता है। एक "चुंबकीय शील्डिंग त्रिज्या" ( $r_{sh} \approx 2\gamma v / |b|$ ) उभरती है, जिसके परे आवेशित कण उनके लक्ष्य के बावजूद ब्लैक होल तक नहीं पहुँच सकते। कैप्चर विंडो अत्यधिक असममित हो जाती है, जो रेट्रोग्रेड इंजेक्शन (retrograde injection) का पक्ष लेती है, और यदि इंजेक्शन त्रिज्या शील्डिंग त्रिज्या से अधिक हो तो पूरी तरह से गायब हो जाती है।

महत्व और दावे
यह शोध क्वांटम पैरामीटर $\alpha$ और चुंबकीय युग्मन $b$ के बीच एक स्पष्ट पदानुक्रम स्थापित करता है।

पृथक्करणीयता (Separability): दोनों पैरामीटर डिस्क अवलोकनों को अलग-अलग तरीकों से प्रभावित करते हैं: $\alpha$ मुख्य रूप से निरंतरता (continuum) के आयाम को (कमजोर रूप से) नियंत्रित करता है, जबकि $b$ "रंग" (स्पेक्ट्रल हार्डनिंग) और समग्र चमक (मजबूत रूप से) को निर्धारित करता है। इसके अलावा, वे कैप्चर क्रॉस सेक्शन पर विपरीत संकेतों के साथ कार्य करते हैं: $\alpha$ क्रॉस सेक्शन को सिकोड़ता है, जबकि $b$ विशाल कणों के क्रॉस सेक्शन को बढ़ाता है (नियंत्रण सेट होने से पहले) और फोटॉन क्रॉस सेक्शन को अपरिवर्तित छोड़ देता है।
अवलोकन संबंधी निहितार्थ: लेखक दावा करते हैं कि, सिद्धांत रूप में, निरंतरता फिटिंग (जो दोनों के प्रति संवेदनशील है, लेकिन $b$ द्वारा हावी है) को शैडो माप (जो केवल $\alpha$ के प्रति संवेदनशील है) के साथ जोड़कर क्वांटम सुधारों से चुंबकीय युग्मन के प्रभावों को अलग किया जा सकता है।
qOS की भौतिक प्रकृति: एक qOS ब्लैक होल जिसका $\alpha > 0$ है, उसे समान द्रव्यमान के श्वास्र्वार्धव ब्लैक होल की तुलना में एक अधिक कुशल रेडिएटर और एक छोटे अवशोषक के रूप में वर्णित किया गया है। यह क्वांटम सुधार पद की प्रतिकर्षक प्रकृति के कारण है, जो छोटे त्रिज्या पर प्रभावी आकर्षण को कमजोर करता है।
गतिक औचित्य (Dynamical Justification): यह अध्ययन चुंबकीय वातावरण में पतली-डिस्क मॉडल के लिए एक गतिक औचित्य प्रदान करता है, यह दिखाते हुए कि चुंबकीय क्षेत्र ब्लैक होल को अनंत से सीधे आवेशित कणों के अभिव्रक्षण से प्रभावी रूप से ढकता (screen) है, जिससे अभिव्रक्षण डिस्क चैनल के माध्यम से आगे बढ़ता है जहाँ अपव्यय (dissipation) कोणीय संवेग को हटा देता है।

यह कार्य टेस्ट-फील्ड सन्निकटन (test-field approximation) के भीतर रहता है, यह मानते हुए कि चुंबकीय क्षेत्र ज्यामिति पर बैक-रिएक्ट नहीं करता है, और बिना घूर्णन वाले स्थिर qOS मेट्रिक पर केंद्रित है।

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