Cataclysme dans les premiers systèmes solaires

Les astronautes d'Apollo ont rassemblé des roches qui laissaient entendre que de gros objets avaient frappé les planètes intérieures il y a environ 4 milliards d'années. Maintenant, les scientifiques ne sont pas si sûrs.

Par Nola Taylor Redd  | Publication: mercredi 5 février 2020

Pendant des décennies, les astronomes ont pensé que le taux d'impacts dans le système solaire interne avait atteint un pic il y a environ 3,9 milliards d'années, à peu près au moment où un objet massif s'est écrasé sur la Lune (à droite) et a formé le bassin géant de l'Imbrium.

Ron Miller pour l' astronomie

Les astronautes d'Apollo ont ramené sur Terre 842 livres (382 kilogrammes) de roches lunaires - un trésor qui transportait les secrets de la formation lunaire. Parmi les nombreuses idées que les scientifiques ont tirées de ces échantillons, il y avait l'âge auparavant inconnu des cratères lunaires. Les roches laissaient entendre que le satellite de la Terre avait subi un bombardement massif - une pointe de la quantité de matériel s'écrasant sur la Lune et, vraisemblablement, la Terre. Cette catastrophe est devenue connue sous le nom de bombardement lourd tardif (LHB) parce que les chercheurs pensaient qu'elle s'était produite relativement tard dans la vie lunaire, quelques centaines de millions d'années après la formation de la Lune, lorsque le chaos du premier système solaire avait commencé à se calmer.

Maintenant, de nouveaux résultats dans plusieurs domaines de l'astronomie amènent beaucoup de personnes à remettre en question l'existence de cette pointe. Certains scientifiques affirment que le LHB n'est peut-être pas arrivé si tard. Au lieu d'une vague d'impacts, les corps terrestres - y compris la Lune et la Terre - ont probablement subi un déclin plus général des collisions alors qu'ils balayaient les derniers morceaux de débris planétaires.

L'idée d'un bombardement lourd tardif est née des roches que les astronautes d'Apollo ont ramenés sur Terre. Les échantillons de six sites ostensiblement divers semblaient tous remonter à environ 3,9 milliards d'années. Maintenant, de nombreux scientifiques soupçonnent que les roches retournées proviennent toutes de l'impact qui a creusé Mare Imbrium.

NASA / GSFC / Arizona State University

«Depuis l'ère Apollo, le débat a été de savoir si le bombardement lourd tardif n'est qu'une décroissance de la population d'impacts sur la Lune et ailleurs dans le système solaire, ou simplement une sorte de pointe», explique David Nesvorny, qui modélise la formation planétaire au Southwest Research Institute (SwRI) à Boulder, Colorado.

Une explosion soudaine de collisions

Avant que les astronautes d'Apollo n'atterrissent sur la Lune, les astronomes ne pouvaient mesurer que les âges relatifs des cratères pour déterminer lesquels venaient en premier et lesquels étaient les plus récents. Le système solaire a environ 4,5 milliards d'années, et si la Lune s'est formée à ce moment - ou peu de temps après - alors les plus anciens cratères devraient avoir à peu près le même âge. Mais les roches lunaires ont révélé des âges plus proches de 3,8 milliards et 3,9 milliards d'années. Et il semblait que l'un des plus grands bassins d'impact de la Lune, Mare Imbrium, avait à peu près le même âge qu'un autre grand bassin, Mare Orientale. «C'était vraiment surprenant», explique Nesvorny.

D'autres rapports ont initialement suggéré qu'il n'y avait aucune preuve d'impacts lunaires plus anciens que les échantillons lunaires retournés. Pour expliquer pourquoi la Lune aurait subi au moins deux collisions massives - les estimations placent l'impacteur Imbrium à 150 miles (240 kilomètres) de diamètre, la taille d'un embryon planétaire - si tard dans sa vie, les scientifiques des années 1970 ont évoqué la possibilité d'un cataclysme ou pointe. Quelque chose a dû remuer les roches lâches du système solaire et les envoyer voler vers la Lune.

Mare Imbrium s'étend sur 710 miles (1 145 km) d'un bord à l'autre. La cicatrice presque circulaire s'est formée lorsqu'un embryon planétaire d'environ 240 km (150 miles) a percuté la Lune il y a environ 3,9 milliards d'années. Plusieurs centaines de millions d'années plus tard, la lave suintait par des fissures dans le fond du bassin, conférant à la jument un éclat grisâtre.

NASA / GSFC / Arizona State University

Exactement ce qui a fait l'agitation est resté un débat de plusieurs décennies. Puis, en 2005, le modèle niçois (du nom de la ville française où les chercheurs l'ont développé) a commencé à attirer l'attention. Selon la nouvelle théorie, les planètes du système solaire externe ne sont pas nées dans leurs orbites actuelles, mais se sont déplacées à la place. Dans certaines versions, Neptune et Uranus ont finalement changé de place. Ces mouvements ont bousculé les roches glacées de la ceinture de Kuiper, qui se trouvaient à la périphérie du système solaire, et en ont projeté certaines dans le système solaire interne. Soudain, les scientifiques ont eu un moyen viable de produire un bombardement relativement tard dans l'histoire du système solaire.

Un autre facteur clé à l'appui de la LHB était la quantité relative d'éléments hautement sidérophiles ou aimant le fer (HSE). Le fer et les éléments avec lesquels il se lie ont tendance à s'enfoncer dans le cœur d'un monde, ce qui fait que le corps se différencie et laisse une surface relativement appauvrie en ces substances. Mais les collisions ultérieures avec des objets plus petits et indifférenciés peuvent fournir une nouvelle source de ces éléments à la surface. Les scientifiques s'attendaient à ce que la Terre soit 20 fois plus abondante dans les HSE que la Lune, simplement en fonction de leur taille relative. Au lieu de cela, notre planète contient environ 1 000 fois plus de HSE que son satellite, pour des raisons qui sont restées longtemps mystérieuses.

Échantillons lunaires

Bien que les échantillons d'Apollo aient permis aux scientifiques de déterminer l'âge des roches lunaires individuelles, la question de leur source persistait. Les astronautes ont ramassé la plupart des matériaux au sol, mais les roches ne se sont pas nécessairement formées là où elles ont été trouvées. Sur Terre, les roches peuvent se détacher des flancs des montagnes ou être emportées par les rivières, les glaciers ou le vent. Bien que la Lune ne se soit jamais vantée d'eau liquide et qu'aucun vent n'altère le paysage lunaire, elle avait une autre méthode pour déplacer les roches - les impacts.

Lorsqu'un objet volant dans l'espace s'écrase sur notre satellite, il creuse suffisamment de la croûte pour former un cratère. Le matériel excavé doit aller quelque part. Avec la faible gravité de surface de la Lune, la majeure partie de celle-ci tend à se retrouver dans l'espace. Mais cette même faible gravité permet aux débris de voler beaucoup plus loin sur la surface lunaire que sur Terre. Ces dernières années, certains scientifiques ont commencé à se demander si la plupart des échantillons provenaient de la même source - l'impact massif de l'Imbrium. Cela expliquerait les similitudes des âges des échantillons.

Mare Orientale se trouve sur le bord ouest de la Lune vu de la Terre et n'a pas été révélée dans sa pleine gloire jusqu'à l'ère spatiale. Comme Mare Imbrium, Orientale s'est formée il y a environ 3,9 milliards d'années. Le Lunar Reconnaissance Orbiter a capturé cette vue du bassin de 300 km de large.

NASA / GSFC / Arizona State University

Un développement clé est survenu lorsque la NASA a envoyé un géologue sur la Lune sur Apollo 17. L'astronaute Harrison «Jack» Schmitt n'était pas satisfait de ramasser des roches à la surface. Au lieu de cela, il a retiré un échantillon d'un gros rocher dans la région Taurus-Littrow à l'angle sud-est de Mare Serenitatis. «Jack savait ce qu'il cherchait», explique Bill Bottke, un scientifique lunaire à SwRI. L'échantillon a révélé un âge compris entre 3,8 milliards et 3,9 milliards d'années.

Mais la roche massive de Schmitt n'était peut-être pas la matière première. Selon Bottke, au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont commencé à se demander si ce rocher venait à l'origine de Serenitatis ou s'il a survolé l'impact de l'Imbrium. «C'est une entreprise délicate», explique Bottke.

Des engins spatiaux plus récents ont contribué à améliorer notre compréhension de l'histoire de la cratérisation lunaire. Des missions telles que le Lunar Reconnaissance Orbiter et le Gravity Recovery and Interior Laboratory ont permis aux enquêteurs de réévaluer comment les impacts ont affecté la Lune au fil du temps. «Les cratères non visibles à l'œil nu sont visibles [pour le vaisseau spatial]», explique Nicolle Zellner, astronome du Albion College du Michigan. Certaines de ces cicatrices d'impact cachées sont énormes, jusqu'à 185 miles (300 km) de diamètre, bien qu'elles se soient érodées. La présence de ces premiers cratères géants signifie que des objets massifs ont bombardé le système solaire plus longtemps que prévu, ce qui affecte notre image de la façon dont les collisions se sont déroulées au fil du temps.

Les partisans d'un taux de bombardement en baisse lente pointent non seulement vers les cratères plus jeunes mais aussi vers l'émergence progressive de preuves pour des impacts plus anciens. À mesure que les instruments sont devenus plus précis, ils peuvent mesurer des quantités de plus en plus petites d'éléments qui aident les chercheurs à dater les échantillons rocheux. "Tant dans les échantillons d'Apollo que dans les météorites lunaires, nous voyons des preuves d'impacts datant de plus de 3,9 milliards d'années", explique Zellner. «Ce type de sensibilité améliorée dans les instruments nous permet d'affiner également notre interprétation des données. Lorsque vous réunissez tous ces éléments, ils indiquent quelque chose qui n'a pas été un bombardement cataclysmique en très peu de temps. »

L'astronaute et géologue Harrison Schmitt ébrèche un morceau d'un rocher géant au cours de la troisième excursion lunaire que lui et Gene Cernan ont faite lors d'Apollo 17. L'échantillon de roche qu'ils ont ramené était daté entre 3,8 et 3,9 milliards d'années.

NASA

La Lune s'est probablement formée lorsqu'un embryon planétaire de la taille de Mars a percuté la Terre il y a environ 4,5 milliards d'années. La collision a creusé une partie de notre planète, qui s'est mélangée au matériau de l'impacteur oblitéré pour former un grand satellite. Alors que les deux corps se solidifiaient, les éléments aimant le fer à l'intérieur d'eux s'installaient dans leurs noyaux respectifs. Les astronomes soupçonnent que des impacts ultérieurs ont livré tous les HSE, tels que l'or et l'iridium, trouvés dans les croûtes et les manteaux des objets aujourd'hui.

Basé sur les roches lunaires et les météorites lunaires, notre satellite semble avoir beaucoup moins de ces éléments précieux qu'il ne devrait. Un pic d'impacts est l'une des raisons avancées pour expliquer ce déficit. De nouvelles recherches suggèrent qu'un tel cataclysme pourrait ne pas être nécessaire. Les chercheurs ont simulé des impacts à différentes vitesses et ont découvert que la Lune retient moins efficacement les matériaux des grands impacteurs que ceux des petits corps en collision. Cela signifie que notre satellite perdrait davantage de ces éléments qui aiment le fer avant de pouvoir s'accumuler à sa surface. Les scientifiques ont conclu que la Lune contenait probablement un tiers de plus de matériaux riches en HSE que ce qui avait été estimé précédemment.

De plus, ils soupçonnent qu'environ la moitié de ce matériau a coulé dans le cœur avant la cristallisation du manteau de notre satellite. Parce que le manteau terrestre s'est cristallisé plus rapidement, la croûte de notre planète a conservé un pourcentage plus élevé d'éléments aimant le fer. «Le renversement de cristallisation tardive séquestre les HSE», explique Alessandro Morbidelli, astronome à l'Observatoire de la Côte d'Azur, en France. «En raison de la séquestration tardive, il est clair que nous n'avons pas besoin d'un pic d'impact il y a 4 milliards d'années.»

Comme la Lune, Mars conserve un record d'impacts géants des premiers jours du système solaire. Dans cette vue topographique, les bleus et les violets représentent des zones basses. Les scientifiques ont daté le bassin Borealis (en haut) à 4,5 milliards d'années, tandis que le plus petit bassin Hellas (en bas à droite) et le bassin Argyre (en bas à gauche) ont entre 3,8 milliards et 4,1 milliards d'années.

Université d'Arizona / LPL / SwRI

Cicatrices rouges

La surface de la Lune n'est pas le seul endroit capable de préserver l'empreinte du passé du système solaire. Mars est également une cible relativement immuable. Bien qu'elle ait probablement abrité des océans d'eau, la planète rouge a perdu la majeure partie de ce liquide au début de sa vie, laissant une surface sèche avec peu d'eau pour éroder son histoire de bombardements. Mars manque également de tectonique des plaques, qui efface les signatures d'impact sur Terre. «Si nous voulons comprendre les impacts sur la Lune, nous devons résoudre Mars simultanément», explique Bottke.

Alors que ni les vaisseaux spatiaux ni les astronautes n'ont renvoyé des échantillons de Mars sur Terre, la planète rouge a obligatoirement expédié certaines de ses roches dans notre monde sous la forme de météorites. La météorite Afrique du Nord-Ouest 7034, surnommée «Black Beauty», provient des hautes terres du sud et est unique parmi les météorites martiennes. Black Beauty est la seule brèche connue, une roche composée de fragments minéraux liés. «Il s'agit d'un collage de fragments soudés de roches provenant de différents endroits sur Mars, tous cimentés ensemble», explique Desmond Moser de l'Université Western du Canada à London, en Ontario.

Moser et ses collègues ont récemment étudié les minuscules zircons - minéraux qui se forment lorsque la lave refroidit - ainsi que la baddeleyite minérale cachée à l'intérieur de Black Beauty. Des études sur les cratères de météorites sur Terre, les scientifiques savent que la chaleur et la pression d'un impact remodèlent rapidement la plupart des roches. Les zircons, en revanche, réagissent incroyablement lentement au changement. "Une fois que quelque chose les affecte, ils ont vraiment des souvenirs incroyables de ces événements", dit Moser. La baddeleyite, en revanche, change de façon prévisible lorsqu'elle est exposée à des pressions élevées.

Le bassin de Caloris sur Mercure s'étend sur environ 960 miles (1 550 km). Les scientifiques qui cherchent à comprendre l'histoire de l'impact des planètes intérieures et de la Lune doivent examiner tous ces mondes terrestres et pas seulement le satellite voisin de la Terre.

NASA / JHUAPL / CIW

Lorsqu'un grand corps s'écrase sur une planète, des vagues de pression et de chaleur balayent le paysage, voyageant plus loin, plus l'impact est important. Mais Black Beauty ne montre aucun signe des changements qui accompagneraient de tels impacts, suggérant que les bombardements cataclysmiques sur Mars sont pratiquement inexistants depuis que la roche s'est formée il y a 4,48 milliards d'années. En même temps, le rocher a réussi à échapper aux effets de l'impact qui l'a fait sauter de la surface martienne, probablement parce que les ondes de choc se sont annulées fortuitement. «Nous sommes tellement chanceux d'obtenir cet échantillon qui n'a pas été modifié par le processus d'éjection de Mars», explique Moser.

Bien que Bottke soit d'accord avec la plupart des conclusions de Moser, il n'est pas complètement convaincu que les zircons inchangés de Black Beauty signifient la fin du bombardement sur la planète rouge. "Mars est un grand monde, beaucoup plus grand que la Lune", dit-il. Il est possible que des impacts importants se soient produits mais que leurs ondes de pression et de température aient évité de toucher Black Beauty.

Une danse de géants

Au cours des dernières années, le modèle niçois a continué d'évoluer. Le modèle original, qui était axé sur la naissance de géantes de glace dans le système solaire externe, était lié au LHB par le biais de la synchronisation. Alors qu'Uranus et Neptune exécutaient une danse complexe dans le système solaire externe, Neptune a bulldozé à travers la jeune ceinture de Kuiper, qui était à l'origine beaucoup plus grande qu'elle ne l'est aujourd'hui. La planète en maraude a projeté certains de ces corps cométaires hors du domaine du Soleil tout en en projetant d'autres dans le système solaire interne. En plus d'entrer en collision avec la Lune et les planètes rocheuses, le matériau cométaire peut avoir remué la ceinture d'astéroïdes, envoyant également certains de ces objets rocheux vers l'intérieur. «Vous avez à la fois des astéroïdes et des comètes», explique Kathryn Volk de l'Université de l'Arizona, une scientifique planétaire qui étudie les petits corps dans le système solaire externe. «Cela a toujours mélangé l'histoire.

La météorite martienne désignée Afrique du Nord-Ouest 7034 et surnommée «Black Beauty» ne pèse que 11 onces (320 g), mais les scientifiques pensent qu'elle vaut son pesant d'or. Les chercheurs qui étudient ses zircons intégrés ont conclu que Mars n'a subi aucun bombardement cataclysmique au cours des 4,5 milliards d'années écoulées.

NASA

Selon Morbidelli, qui était l'un des auteurs originaux du modèle niçois, les chercheurs ne voulaient pas attacher le modèle au LHB. La raison était simple: bien que Nice puisse expliquer le LHB, ce n'était pas nécessaire. En fait, pour que Nice s'intègre au LHB, il a fallu retarder la danse des géants de la glace pendant environ 700 millions d'années, une idée qui a mis certains scientifiques mal à l'aise.

"Dynamiquement, je n'avais jamais été très satisfait de cette instabilité tardive", explique Sean Raymond, modeleur planétaire au Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux. «Si les choses vont mal tourner, ils le font tout de suite.» Parfois, des choses inhabituelles se produisent, mais les scientifiques préfèrent ne pas se fier à de rares exceptions comme explications.

Nesvorny a décrit ses préoccupations un peu plus concrètement. Si vous placez une pièce sur le bord d'une table, il est relativement facile de la placer pour qu'elle tombe immédiatement. "Il est difficile de le mettre sur le bord afin qu'il tombe dans une heure à partir de maintenant", dit-il. Mais c'est ce qu'un modèle Nice déclenchant le LHB semblait suggérer.

Nesvorny a commencé à rechercher des moyens d'estampiller la danse planétaire. Les astronomes pensent que la ceinture de Kuiper est responsable non seulement des débris glacés auxquels elle se rattache aujourd'hui et des comètes à courte période qui se précipitent périodiquement à la périphérie du système solaire, mais aussi des lunes irrégulières autour de certaines des planètes géantes et des astéroïdes troyens de Jupiter. . Ce dernier groupe comprend des milliers d'objets en orbite autour du Soleil dans des endroits stables positionnés à 60 ° devant et derrière la géante du gaz. Sur les plus de 7 000 chevaux de Troie que les scientifiques ont identifiés, environ 25 font plus de 100 km de large. Deux d'entre eux forment la paire binaire de Patrocle et de Menoetius.

Patroclus et Menoetius - cibles de la mission Lucy de la NASA vers les chevaux de Troie de Jupiter en 2033 - orbitent l'un sur l'autre à une distance de 415 miles (670 km). Les scientifiques soupçonnent que la paire s'est réunie dans la ceinture de Kuiper au cours des 10 premiers millions d'années du système solaire, puis a voyagé vers l'intérieur lorsque les choses sont devenues instables. Mais combien de temps ont-ils passé dans la ceinture de Kuiper avant de se lancer dans leur voyage? Pour le savoir, Nesvorny a modélisé le temps qu'il faudrait à la paire pour se séparer lors des interactions de la ceinture de Kuiper pré-Nice. Plus le binaire était assis dans la ceinture, plus il aurait enduré de collisions, rompant leur connexion. Nesvorny et ses collègues voulaient savoir quelles étaient les chances que 1 binaire sur 25 reste stable.

Le plus grand et le plus ancien élément d'impact de la Lune est le bassin du pôle Sud-Aitken, qui s'étend sur environ 1550 miles (2500 km) du pôle sud lunaire au cratère Aitken de 130 km de large. Les scientifiques veulent désespérément obtenir des échantillons du bassin pour déterminer son âge.

NASA / GSFC / Arizona State University

«C'est vraiment un pistolet fumant», dit Nesvorny. "Il exclut le modèle de Nice comme source du bombardement lourd tardif."

Une instabilité précoce a du sens. Selon Raymond, le déclencheur le plus naturel du mouvement planétaire a été la perte du disque de gaz dans lequel ils sont nés. En environ 10 millions d'années, la majeure partie du gaz avait été emportée par les planètes ou dispersée par le Soleil. Le gaz aurait eu un effet d'amortissement. Une fois qu'il était parti, les planètes pouvaient plus facilement se tirer mutuellement par gravité, changeant leurs orbites. Les 100 millions d'années de Nesvorny étaient une limite supérieure, avec les circonstances qu'il modélisait parmi les plus optimistes.

Cela ne signifie pas nécessairement qu'il n'y avait pas de LHB - seulement que s'il y en avait un, le réarrangement des géants de glace ne l'a pas déclenché. Cependant, le modèle de Nice était le meilleur argument pour provoquer un LHB, donc la disparition de cette connexion fait encore un autre argument contre l'hypothèse.

Pas prêt à abandonner

Le bavardage parmi la communauté scientifique donne l'impression que le temps est écoulé pour le LHB. Peut-être n'y avait-il pas eu une augmentation soudaine de matériaux percutant les planètes terrestres après tout, seuls les derniers débris qui avaient construit les planètes étant lentement balayés par les collisions. Affaire classée, non?

Bottke n'est pas complètement vendu. «Il y a encore des choses dont il faut s'inquiéter», dit-il. Il veut savoir pourquoi Mare Imbrium et Mare Orientale, deux immenses bassins, se sont formés en bout de ligne. Statistiquement, les plus gros rochers auraient dû entrer en collision le plus tôt, laissant les plus petits objets plus nombreux pour faire les cicatrices finales. Des impacts plus importants à la fin peuvent provenir d'un pic de collisions, d'un changement dans les caractéristiques de la population en collision ou simplement de la malchance. "Quelles sont les chances de deux des plus grandes [collisions] à la fin de la ligne?", Demande-t-il. "Je pense que ça va être un nombre de probabilité très faible."

Le bassin du pôle Sud-Aitken, le plus grand et le plus ancien élément d'impact sur la Lune, est un autre endroit à l'âge mystérieux. Selon Bottke, les estimations varient de 4,1 milliards à 4,5 milliards d'années. Clouer son âge serait «un gros problème», dit-il. S'il n'a que 4,1 milliards d'années, pourquoi ne voyons-nous pas des signes des cratères qui auraient dû se former plus tôt dans l'histoire lunaire? Bien que plusieurs chercheurs aient suggéré qu'un processus ait effacé les cratères les plus anciens, il n'est pas convaincu. «Il ne suffit pas de se débarrasser des rebords de bassin», dit-il. "Vous devez vous débarrasser des signaux gravitationnels et de toutes les différences de composition que vous avez." Il n'est pas certain que ces changements apparaissent sur la Lune.

Enfin, il signale des préoccupations concernant les météorites. Les météorites de la Lune et de la ceinture d'astéroïdes montrent que leur corps parent a perdu du gaz à la suite d'ondes de choc d'impact dans deux épisodes - l'un il y a environ 4,5 milliards d'années et l'autre entre 3,5 milliards et 4 milliards d'années - mais reste étrangement silencieux entre Il y a 4 milliards et 4,5 milliards d'années. Bottke dit que cela pointe vers deux composantes du bombardement du système solaire intérieur.
«Je ne suis pas tout à fait prêt à abandonner», dit-il.

L'un des meilleurs moyens de régler le débat sur la question de savoir si la Terre et la Lune ont souffert d'une augmentation des collisions au début de leur vie serait de retourner sur la Lune pour obtenir plus d'échantillons. La NASA n'a pas sélectionné les sites d'atterrissage d'Apollo dans le but de clouer les âges des cratères, mais cela pourrait peut-être être une considération clé lors du prochain voyage. À l'heure actuelle, la NASA considère le bassin du pôle Sud-Aitken comme le premier choix pour les futurs sites de débarquement. Confirmer l'âge du bassin pourrait aider à percer une partie du mystère entourant l'histoire du bombardement lunaire.

«Si nous pouvons être plus sélectifs et prudents sur les sites de débarquement qui nous donnent des échantillons du bassin d'impact, ils peuvent nous aider à répondre à certaines des questions que nous avons encore», explique Zellner.

Avec ces âges en main, les scientifiques seront peut-être en mesure de comprendre ce qui s'est passé au début du système solaire, révélant le jeu final de la formation des planètes et révélant peut-être quand la vie aurait pu surgir pour la première fois sur Terre et, peut-être, sur Mars.

«C'est une période passionnante de confusion», dit Morbidelli. "Restez à l'écoute."

Source: http://www.astronomy.com
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