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Sistema solare, nascita e composizione

La nascita del Sistema Solare

Il Sistema Solare è un sistema planetario, e come tale è composto da oggetti di natura non stellare orbitanti intorno ad una stella. Questi corpi non stellari, almeno quelli finora conosciuti e relativi al nostro sistema planetario, sono i pianeti, gli asteroidi, i meteoroidi , le comete e la polvere interstellare. L'insieme di tutti questi corpi e dalla loro stella è definito come sistema stellare. Il nostro sistema, legato al Sole, è quindi il Sistema Solare.

Il sistema solare è l'insieme del Sole e degli astri (in particolare dei pianeti) che gravitano attorno ad esso. La regione dello spazio nella quale il Sole esercita una attrazione predominante rispetto a quella delle altre stelle.

Rappresentazione artistica del Sistema SolareNonostante si tratti del nostro sistema planetario, molte domande sono ancora in attesa di una risposta definitiva e questo nonostante il fatto che numerose sonde siano andate a spasso per il Sistema Solare in tempi più o meno recenti. Cassini e la sonda Huygens (scesa su Titano) sul sistema Saturno, Deep Impact che ha studiato la cometa Tempel 1, Spirit e Opportunity, seguiti da Phoenix, su Marte insieme a satelliti come Mars Express, New Horizon verso Plutone, Messenger verso Mercurio, Venus Express verso Venere, Stardust che ha prelevato frammenti dalla cometa Wild2 prima di tornare a casa.
Dubbi ci sono sulla nascita del Sistema Solare, sull'evoluzione, sulla formazione dei pianeti e dei satelliti per non parlare dei corpi minori. Oggi, studiando altri sistemi planetari, stiamo dando alcune risposte anche alle domande riguardanti il nostro.
Lo studio dei corpi minori come asteroidi e comete è considerato un aiuto molto importante per la comprensione delle informazioni sui materiali presenti nella nube di gas e polveri che, circa 4,5 miliardi di anni fa, ha dato origine al nostro sistema planetario. Anche lo spazio interplanetario, del resto, è pieno di residui con dimensioni che arrivano a frazioni di millimetro. FORMAZIONE Il Sistema Solare è quindi il sistema planetario nel quale viviamo, composto da otto pianeti e numerosi corpi minori che orbitano intorno ad una stella, il Sole (dal quale prende il nome), di poco più di 4 miliardi di anni e che durerà ancora dai 5 ai 7,5 miliardi di anni circa.
Fino a poco tempo fa il Sistema Solare era visto come qualcosa di ignoto ed inesplorabile, ma con l'avanzare delle tecnologie l'uomo ha acquisito numerose informazioni che stanno consentendo non solo di inviare sonde, ma anche di pensare ad una futura colonizzazione.
La nascita del Sistema Solare rispecchia la nascita di un qualunque sistema planetario ed è stata spiegata inizialmente da Laplace con la Teoria Catastrofica: i pianeti si sono formati dallo stesso materiale che ha creato il Sole, quindi rimaneva da stabilire se il materiale era quello avanzato al Sole oppure se era stato preso dalla nostra stella e poi espulso dalla stessa. La teoria di Laplace fu tuttavia presto abbandonata dal momento che, avendo il Sole acquisito tutta la massa disponibile, avrebbe trascinato con sé anche tutto il momento angolare, che invece risulta al 99,5% detenuto dai pianeti che, insieme, hanno una massa pari a 1/750 di quella dell'intero Sistema Solare. Anche il fatto che il Sole abbia espulso materia lascia spazio a domande che fanno crollare la teoria: soltanto una forza di marea gigantesca porterebbe il Sole ad espellere materia a favore di altri corpi, e non si ritiene che possano esistere corpi tanto grandi da influenzare così il Sole.
Oggi la genesi del Sistema Solare si spiega con la Teoria della Nebulosa Molecolare Primitiva. La teoria nasce da fenomeni osservativi dei corpi che fanno parte del Sistema Solare. Ad una osservazione anche superficiale, infatti, appare chiaro che tutti i pianeti orbitano nello stesso verso orario, che quasi tutti ruotano in senso diretto tranne Venere ed Urano (agli antipodi dal punto di vista posizionale), che le orbite sono circolari poco inclinate rispetto all'eclittica, che i pianeti interni sono terrestri e quelli esterni sono gassosi, che tutti sembrano aver ricevuto impatti notevoli a giudicare dalle cicatrici crateriche che presentano in superficie e che non ci sono corpi antecedenti ai 4,5 miliardi di anni.

Tenuto presente tutto ciò, sembra proprio che 4,52 miliardi di anni fa alla periferia della nostra Via Lattea, precisamente nel braccio di Orione della Via Lattea, vi fosse una nebulosa molecolare molto grande che ad un certo punto, forse a causa di una esplosione di supernova, ha iniziato a spiraleggiare formando un centro di contrazione che, raggiunta una certa massa (massa di Jeans) ha iniziato spontaneamente ad attrarre altro materiale.

A sostegno della teoria della supernova come trigger per l'inizio della contrazione nebulare è un lavoro pubblicato su Astrophysical Journal ad Agosto 2017 a firma di Alan Boss del Carnegie Istitution for Science. Lo studio si basa sull'analisi delle meteoriti rinvenute sulla Terra, in particolar modo sull'analisi degli isotopi di alcuni elementi in particolare. Le condriti carbonacee sono un particolare tipo di meteorite, tra le più primitive nel Sistema Solare. Alcuni isotopi esistenti ai tempi della formazione del Sistema Solare sono radioattivi e sono in possesso di tassi di decadimento che li ha portati all'estizione nel giro di centinaia di milioni di anni. Il fatto che tali isotopi esistessero ancora al tempo di formazione delle condriti è evidenziato dalla presenza del "prodotto" del decadimento radioattivo di questi elementi instabili e proprio la misura di queste abbondanze ha fornito al team la base di partenza per lo studio: l'analisi si è concentrata sul ferro-60, un elemento di breve durata che decade in nickel-60. Questo elemento viene creato soltanto dalle reazioni nucleari interne a stelle di un certo tipo, comprese le supernovae e le stelle AGB. Il ferro-60 è oramai decaduto così ci si è concentrati sul ferro-56, più stabile e confrontabile con la quantità di nickel-60. Dal confronto si può stimiare la quantità di ferro-60 presente al momento della formazione del Sistema Solare e ciò che ne è derivato è una quantità del tutto compatibile con una esplosione di supernova. La contrazione nebulare è quindi derivante, cono molta probabilità, dalla morte di una stella "vicina".

I colori rappresentano le abbondanze di elementi radioattivi

I colori rappresentano le abbondanze di elementi radioattivi

Questo fenomeno è oggi osservato altrove, soprattutto nel Toro con le stelle di famiglia T-Tauri. Ad un certo punto, la protostella (protoSole) inizia a generare vento stellare (riferito al Sole si parla di vento solare) che fa perdere parte della massa in misura del 50% di quella finora accumulata. La nebulosa originaria iniziò a contrarsi, formando un disco circolare intorno alla protostella. Gli elementi dominanti erano idrogeno, elio, polvere, silicati, ferro e ghiaccio. Nei paraggi, la temperatura era così alta che acqua ed altri elementi volatili erano allo stato gassoso. Soltanto composti non volatili, come ossido di silicio e magnesio, oltre ad elementi metallici, erano in grado di rimanere allo stato solido. Questi elementi solidi, soprattutto quelli dotati di una certa massa, iniziarono a collidere tra loro raggiungendo a volte dimensioni interessanti: nascono i planetesimi, con diametri che arrivano anche a qualche chilometro. I planetesimi, mattoni dei futuri pianeti, erano migliaia, ed orbitavano in dischi simili a quelli saturniani. Dopo una infanzia relativamente tranquilla, il Sole entrò in una fase adolescenziale violenta, ad una età di circa 10 milioni di anni: oltre un certo limite (4 UA), era favorita l'aggregazione di elementi volatili, acqua ed ammoniaca. Entro il limite, invece, le sostanze volatili furono spazzate via dai venti solari e dalle temperature più elevate, dando luogo così a planetesimi rocciosi.

Impatti, rappresentazioneI protopianeti che andavano formandosi erano soggetti a collisioni continue che hanno portato a fusioni e evaporazioni, stessi processi che subirono poi i pianeti rocciosi una volta formatisi. Sulla Terra molti elementi chimici, al momento della formazione planetaria, erano assenti e sono stati portati in seguito dagli asteroidi che hanno colpito il nostro pianeta tanto è vero che oggi li utilizziamo: piombo, zinco, rame, argento e stagno. Altri elementi sono invece in sovrabbondanza sulla Terra, e un esempio è l'indio la cui origine è molto dibattuta. Alla University di Oxford sono stati attivati test di laboratorio nelle fornaci simulando la formazione del protopianeta Terra, dimostrando come alcuni elementi volatili siano evaporati prima dell'arrivo sul pianeta a causa della reazione tra roccia fusa dei protopianeti e una atmosfera povera di ossigeno.

Altro processo dibattuto è l'accrescimento del disco protoplanetario, caratterizzato da fasi molto caotiche: quando i pianeti ancora non avevano raggiunto le dimensioni di Marte, la gravità non era sufficiente a trattenere l'atmosfera presente, creata dagli impatti tra corpi rocciosi. La perdita di atmosfera cambiò la composizione del pianeta, e questo è provato da isotopi del magnesio. Più del 40% della massa terrestre è andata persa durante la formazione e questo è valido per il nostro pianeta ma anche per Marte e Vesta, in base allo studio delle meteoriti (Nature, settembre 2017).

All'interno della protostella, intanto, iniziano le fusioni nucleari. I forti venti solari hanno presumibilmente spazzato via le polveri rimanenti e le atmosfere di alcuni pianeti, ad esempio quella di Mercurio. I gas spazzati all'interno arrivarono ai planetesimi esterni dove parteciparono alla creazione dei giganti gassosi. Il vapore acqueo è migrato in regioni dove la temperatura era più bassa, ed a circa 820 milioni di chilometri dal Sole si è condensato in particelle di ghiaccio. Il ghiaccio stesso, insieme alla polvere, ha formato pianeti decine di volte più massicci rispetto alla attuale massa terrestre. Il campo gravitazionale intorno a questi corpi massicci ha attratto grandi quantità di idrogeno: è nato così Giove, in meno di 10 milioni di anni. Saturno ha impiegato due volte il tempo di Giove a formarsi, in una zona del Sistema Solare in cui il periodo orbitale è quasi il doppio di quello del gigante gassoso. Urano e Nettuno sono nati in circostanze simili, divorando planetesimi ghiacciati a distanze più che doppie rispetto a quella di Saturno.
Nei pressi di Marte, in una fascia di circa 7000 chilometri di diametro, si sono trovati centinaia di oggetti simili per diametro alla Luna. Tra 4,47 e 4,44 miliardi di anni fa ha inizio la storia moderna del sistema solare. Con il termine delle ultime cataclismiche collisioni tra pianeti, Terra e Venere avevano racimolato la maggior parte del materiale esistente. Un altro pianeta, grande come Marte, si è formato ma è andato ad impattare la Terra dando vita alla Luna. Più tardi, Giove si è avvicinato al Sole causando l'allontanamento di Saturno, Urano e Nettuno. Da questo momento in poi, i pianeti hanno mantenuto le orbite che vediamo ancora oggi.

Il modello di formazione del Sistema Solare è comunque ben lontano dal trovare una univocità accettata: la collisione che ha generato la Luna, ad esempio, potrebbe non essere stata l'unico evento catastrofico subito dalla Terra in questi termini. Alcuni modelli basati sui processi di assorbimento di metalli e silicati nel mantello terrestre, infatti, mostrano come sia possibile una serie di impatti di notevole entità, sulla Terra, anche dopo la formazione della Luna e questi impatti avrebbero concorso all'acquisizione di massa in misura cinque volte superiore a quanto stimato nei modelli precedenti (era lo 0.5% del totale della massa). Un modello simile spiegherebbe anche le anomalie isotopiche osservate in antichi campioni di roccia come la komatite (Nature Geoscience, Dicembre 2017, Southwest Research Institute).

Southwest Research Institute.

Credit Southwest Research Institute. 

IL RUOLO DI GIOVE

Formazione del Sistema Solare con e senza GioveFormazione del disco protoplanetario con e senza Giove Una simulazione al computer elaborata da P.Armitage, dell'Università di Toronto, illustra il processo di formazione planetaria, inserendo 60.000 piccoli corpi in orbita iniziale intorno al Sole. Come mostrato nella prima immagine, senza la presenza di un corpo massiccio la configurazione evolve in maniera molto lenta (la simulazione si basa su un periodo di 10 milioni di anni). Se viene inserito un corpo massiccio con massa pari a un millesimo della massa del Sole, come Giove, la configurazione dopo 10 milioni di anni corrisponde alla seconda figura: i piccoli corpi sono concentrati sia tra Giove ed il Sole, sia oltre l'orbita di Giove. Il modello mostra in maniera evidente lo stato embrionale degli altri pianeti. Se potessimo proseguire con la simulazione, noteremmo evidentemente che la presenza di Giove previene la formazione di un pianeta nella fascia degli asteroidi e limita la crescita di Marte all'attuale dimensione. Senza Giove, Marte sarebbe un po' più grande mentre Terra e Venere sarebbero probabilmente più ridotti.
Nel 2007 c'è chi ha avanzato la stima precisa della nascita del Sistema Solare, inquadrandolo in 4.568 milioni di anni fa, con una forchetta di errore di 2 milioni di anni soltanto. I ricercatori dell'Università della California, infatti, hanno analizzato un meteorite del tipo condrite carbonacea risalente alla formazione del Sistema Solare, la cui matrice è ricca di manganese con globuli ricchi di cromo. Tramite la misura del cromo-53, si è ricavata la quantità dell'isotopo manganese-53 inizialmente presente, con conseguente indicazione riguardante la data di formazione. Inizialmente si sarebbero formati una ventina di pianeti simili a Marte che poi, collidendo, hanno dato vita al Sistema Solare come oggi lo conosciamo.
Tutto questo dovrebbe aver dato luogo a ciò che oggi vediamo e chiamiamo Sistema Solare. Lungi dal pensare, tuttavia, che il Sistema Solare sia composto soltanto dal Sole e dai pianeti, dal momento che al suo interno esistono altri corpi molto importanti ed aree immense che ne rappresentano la casa.
Questo modello di formazione, tuttavia, può valere per il Sistema Solare e per sistemi stellari simili al nostro. Tuttavia esistono sistemi planetari molto differenti dal nostro: alcuni pianeti sono stati scoperti in orbita intorno ad una pulsar. In tal caso, i pianeti potrebbero essere i detriti presenti nel disco di accrescimento della pulsar, oppure potrebbero essere i residui di una stella compagna della stella esplosa. Altri pianeti hanno un moto di rivoluzione contrario al moto di rotazione stellare, e questo mette davvero in crisi il modello di formazione del sistema planetario!
Come si vede, si può abbozzare un modello di formazione del nostro Sistema Solare perché se ne conoscono le caratteristiche, ma il discorso non è minimamente espandibile ad altri sistemi. Possiamo dire che nelle orbite più vicine al Sole ci sono i pianeti terrestri poiché in presenza di una maggior influenza del vento solare e della temperatura gli elementi più volatili sono evaporati, cosa che invece non è accaduta per i pianeti più esterni che in effetti hanno carattere gassoso. Andiamo a vedere gli esopianeti e, invece, scopriamo che ci sono numerosi pianeti definibili come giganti gassosi che si trovano in orbita molto stretta rispetto alla loro stella.
In realtà qualcosa non torna: il Sole detiene più del 99% di tutta la massa presente nel Sistema Solare e dovrebbe detenere anche la grandissima parte del momento angolare di tutto il sistema. Invece, il Sole è molto lento nella sua rotazione mentre il momento angolare maggiore è detenuto dai pianeti. Il motivo è stato ricercato nella distribuzione del momento angolare attraverso vie legate all'elettromagnetismo, anche se molti dubbi sono ancora presenti. Si ritiene che il vento solare abbia trasportato la maggior parte della massa della nebulosa originaria, e con essa anche il momento angolare.

UNA NEBULOSA TUTTA PER IL SOLE?

Sappiamo che le stelle solitamente nascono in ammassi e non singolarmente e sarebbe strano che il Sole, invece, fosse nato da solo soprattutto perché il materiale costituente il Sistema Solare, preservato nelle più antiche meteoriti, è arricchito da detriti di supernova provenienti da almeno una giovane stella massiccia esplosa nelle vicinanze.
I dati sembrano indicare che la nebulosa iniziale avesse una massa di circa 500-3000 masse solari racchiusa in un diametro di 20 anni luce e che molte stelle si siano formate insieme al Sole. La maggior parte delle stelle formatesi è oggi andata persa nella Via Lattea, ma alcune potrebbero essere ancora nelle vicinanze e potrebbero essere rintracciate in base allo studio dei moti propri. La prossima missione ESA, GAIA, è finalizzata anche a questo tipo di studio.

Composizione del Sistema Solare

Posto nella periferia galattica, e precisamente nel Braccio di Orione della Via Lattea, il Sistema Solare è composto dal Sole, che ne rappresenta la stella centrale, e da una serie di corpi celesti che gli orbitano intorno e che in base alla nomenclatura ufficiale della UAI possono essere riassunti come segue:

  • otto pianeti: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno;
  • un pianeta nano, Cerere;
  • quattro plutoidi Plutone, Eris, Makemake e Haumea;
  • più di 140 satelliti;
  • milioni di asteroidi;
  • miliardi di comete;
  • un numero indecifrato ed elevatissimo di meteoroidi.

La maggior parte degli asteroidi è racchiusa in una zona tra Marte e Giove, nota come Fascia Principale degli Asteroidi. Le comete, invece, provengono da due sacche distinte, note come Fascia di Kuiper, più vicina, e Nube di Oort, più remota.
Intorno a questi oggetti, lo spazio è definito mezzo interplanetario ed è composto di gas e polvere che interagisce in continuazione con il vento solare, uno sciame di particelle emesse dal Sole che viaggiano nel Sistema Solare alla velocità di svariate centinaia di chilometri ogni secondo. Proprio l'effetto di questo vento stellare serve a definire i confini del nostro Sistema Solare. Laddove il vento solare riesce a produrre effetti con la sua presenza, si parla ancora di Sistema Solare e le zone raggiunte dal vento solare formano l'eliosfera. Il confine che segna l'ultima distanza raggiunta dal vento solare si chiama eliopausa oppure termination shock.

L'eliosfera è la regione dello spazio nella quale la densità di energia del vento solare è superiore a quella del mezzo interstellare.
L'eliopausa è il limite convenzionale dell'eliosfera, lungo il quale la densità di energia del vento solare è in equilibrio con quella del mezzo interstellare.


EliosferaL'eliosfera, quindi, rappresenta tutto il campo raggiunto dal vento solare. Gli scienziati che elaborano i dati della sonda Voyager2 hanno osservato prorpio questa bolla di vento solare che circonda il sistema solare, descrivendone una forma non circolare ma schiacciata.

Gli scienziati riportano che il Voyager2 ha attraversato questo confine più vicino al Sole di quanto ci si attendesse, suggerendo quindi che l'eliosfera in questa regione è stata spinta avanti, più vicina al Sole, da un campo magnetico interstellare. Queste scoperte aiutano a costruire una immagine di come il Sole interagisce con il mezzo interstellare circostante.
Quanto è grande l'eliosfera e, quindi, quanto è grande il Sistema Solare?
Nello spazio non ci sono confini precisi, come ha avuto modo di appurare proprio la sonda Voyager, quindi non si può procedere ad una stima accuratissima delle dimensioni del Sistema Solare. Nettuno orbita a circa 30 UA dal Sole (quindi trenta volte la distanza Sole-Terra, che ammonta a circa 150 milioni di chilometri), ma il Sistema Solare accoglie anche gli oggetti trans-nettuniani e si espande fino alla Fascia di Kuiper, una fascia ricca di nuclei cometari, posta a circa 50 UA dal Sole. Oltre questa, inoltre, c'è la Nube di Oort che si estende approssimativamente fino a 50.000-100.000 UA dal Sole.
 

Distanze nel Sistema Solare

Ogni corpo del Sistema Solare si muove secondo la Legge di Gravitazione Universale, proprio come ogni corpo dell'universo fa altrettanto. Quindi, non solo i pianeti, ma anche asteroidi, comete e meteoroidi rispettano le stesse leggi ed il loro moto sarebbe del tutto prevedibile, dopo una osservazione ripetuta per un tempo sufficiente a stabilirne le regole. La Legge di Gravitazione Universale e le Tre Leggi di Keplero ci insegnano che il Sole occupa uno dei fuochi delle ellissi tracciate da ogni corpo in orbita, e che tutti i corpi - grandi o piccoli che siano - seguono il movimento che rappresenta lo sforzo minore nel loro cammino. La dislocazione dei pianeti e dei corpi minori come gli asteroidi all'interno del Sistema Solare può essere approssimata tramite la Legge di Titius-Bode.

La Local Fluff

Il Sistema Solare sta passando attraverso una nube interstellare che secondo gli scienziati non dovrebbe esistere. Nel numero di Nature del 24 dicembre 2009, un team di scienziati rivela la soluzione di un mistero da parte della sonda Voyager della NASA, che con il programma televisivo ha la sola sventura di condividere il nome.
Utilizzando i dati provenienti dal Voyager è stato scoperto un forte campo magnetico esterno al sistema solare, ha spiegato il capo autore Merav Opher della George Mason University. Questo campo magnetico tiene insieme la nube interstellare e svela finalmente il motivo per il quale questa nube esiste.
La scoperta ha implicazioni per il futuro, quando il sistema solare andrà a passare in altre nubi simili presenti nel braccio della nostra Galassia.
La nube nella quale stiamo passando è chiamata dagli astronomi Local Fluff, come abbreviazione di Local Interstellar Cloud. é larga circa 30 anni luce e contiene un misto di atomi di idrogeno ed elio alla temperatura di circa 6000°C. Circa 10 milioni di anni fa, una supernova è esplosa nelle vicinanze creando una gigante bolla di gas a milioni di gradi di temperatura. La nube è completamente circondata da questo involucro di gas caldo. La temperatura osservata e la densità della nube non sono abbastanza elevate da far fronte all'azione del gas caldo circostante. Come fa, allora, a sopravvivere questa nube? La sonda Voyager ha scoperto la ragione.
I dati, infatti, mostrano che la nube è molto più magnetizzata di quanto finora sospettato, tra 4 e 5 microgauss. Questo campo magnetico può fornire una pressione extra, richiesta per resistere alla distruzione dall'esterno.

Local Fluff e movimento del Sistema SolareLe due sonde Voyager della NASA stanno scorazzando fuori dal Sistema Solare da una trentina di anni ed attualmente sono oltre l'orbita di Plutone, puntando verso lo spazio interstellare. Attualmente non si trovano nella Local Fluff, ma si stanno avvicinando e possono studiare l'approccio ad essa.
La nube è tenuta a bada al di la dei confini del sistema solare dal campo magnetico del Sole, che viene gonfiato dal vento solare in una bolla magnetica di oltre 10 miliardi di chilometri di larghezza, nota come eliosfera. Questa bolla agisce come uno scudo che protegge il sistema solare interno dai raggi cosmici galattici e dalle nubi interstellari. Le due Voyager si trovano nello strato più esterno dell'eliosfera, dove il vento solare è rallentato dalla pressione del gas interstellare. Il Voyager 1 ha raggiunto questa zona nel dicembre del 2004, mentre la Voyager 2 ha fatto il suo ingresso nell'Agosto del 2007.
La dimensione dell'eliosfera è determinata da un bilanciamento di forze: il vento solare soffia nella bolla dall'interno mentre la Local Fluff la comprime dall'esterno. Una parte della pressione effettuata dall'esterno è magnetica, come riportato dal team di scienziati.
Il fatto che la Local Fluff sia così fortemente magnetizzata implica che le altre nubi nelle vicinanze potrebbero esserlo. Eventualmente, il Sistema Solare andrà a finire in qualcuna di esse ed i campi magnetici potrebbero comprimere l'eliosfera più di quanto stia facendo la Local Fluff. Una compressione maggiore consentirebbe a più raggi cosmici di raggiungere il sistema solare interno, portando conseguenze anche sul clima terrestre e sulla vivibilità dello spazio vicino alla Terra. D'altro canto, lo spazio interstellare sarebbe più vicino e le sonde non dovrebbero viaggiare tanto quanto le Voyager per raggiungerlo. Questi eventi potrebbero verificarsi nello spazio di decine di centinaia di migliaia di anni, il tempo necessario al Sistema Solare per raggiungere le altre nubi.


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