¿Por qué excitarse por un accidente de agujero negro de 3 billones de años luz de distancia
Estos eventos duran sólo decenas de milisegundos, pero son los fenómenos más poderosos desde el Big Bang, y abrir una ventana completamente nueva en el universo.
Antes de la Fusión: Spiraling Black Holes. La concepción del artista muestra dos agujeros negros combinados similares a los detectados por LIGO. Los agujeros negros que en última instancia se en espiral juntos en un agujero negro más grande se ilustran para estar orbitando uno a otro en un plano. Los agujeros negros están girando de manera no alineada, lo que significa que tienen diferentes orientaciones en relación con el movimiento orbital general del par. Hay un indicio de este fenómeno encontrado por LIGO en al menos un agujero negro del sistema GW170104. Crédito de la imagen: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)
Por Sean Mcwilliams para FastCompany Junio 5 de 2017
Por tercera vez en un año y medio, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser Avanzado (LIGO: Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) ha detectado ondas gravitatorias. La hipótesis de Einstein hace un siglo, la identificación de estas ondulaciones en el espacio-tiempo –por tercera vez, nada menos– cumple la promesa de un área de astronomía que ha atraído a los científicos durante décadas, pero que siempre parecía estar justo fuera de Nuestro alcance.
Como astrofísico de onda gravitacional y miembro de la Colaboración científica LIGO, estoy naturalmente encantado de ver la visión de muchos de nosotros convirtiéndonos en una realidad. Pero estoy acostumbrado a encontrar mi propio trabajo más interesante y excitante que el de otras personas, por lo que la medida en que todo el mundo parece estar fascinado por este logro fue algo sorprendente. La emoción es bien merecida, sin embargo. Al detectar estas ondas gravitacionales por primera vez, no sólo hemos verificado directamente una predicción clave de la teoría de la relatividad general de Einstein de manera convincente y espectacular, sino que hemos abierto una ventana completamente nueva que revolucionará nuestra comprensión del cosmos.
Ya estos descubrimientos han afectado nuestra comprensión del universo. Y LIGO está empezando.
Mapa del cielo de las fusiones de agujero negro de LIGO Esta proyección tridimensional de la galaxia de la Vía Láctea sobre un globo transparente muestra las ubicaciones probables de los tres eventos confirmados de fusión de agujeros negros de LIGO: GW150914 (azul), GW151226 (naranja) Y la detección más reciente GW170104 (magenta) y una cuarta detección posible, con menor significación (LVT151012, verde). El contorno exterior para cada uno representa la región de confianza del 90 por ciento; El contorno más interno significa la región de confianza del 10 por ciento. Crédito de la imagen: LIGO / Caltech / MIT / Leo Singer (Imagen de la Vía Láctea: Axel Mellinger)
Entrando en Sintonía con el Universo
En su esencia, esta nueva forma de entender el universo se deriva de nuestra recién descubierta capacidad de escuchar su banda sonora. Las ondas gravitacionales no son en realidad ondas sonoras, pero la analogía es apta. Ambos tipos de ondas transportan información de manera similar, y ambos son fenómenos completamente independientes de la luz.
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo que se propagan hacia afuera desde procesos intensamente violentos y energéticos en el espacio. Pueden ser generados por objetos que no brillan, y pueden viajar a través del polvo, la materia o cualquier otra cosa, sin ser absorbidos o distorsionados. Llevan información única sobre sus fuentes que nos alcanza en un estado prístino, dándonos un verdadero sentido de la fuente que no se puede obtener de ninguna otra manera.
La relatividad general nos dice, entre otras cosas, que algunas estrellas pueden volverse tan densas que se cierran del resto del universo. Estos objetos extraordinarios se llaman agujeros negros. La relatividad general también predijo que cuando pares de agujeros negros orbitan estrechamente uno alrededor del otro en un sistema binario, agitan el espacio-tiempo, la propia estructura del cosmos. Es esta perturbación del espacio-tiempo la que envía energía a través del universo en forma de ondas gravitatorias.
Esta pérdida de energía hace que el binario se apriete más, hasta que finalmente los dos agujeros negros se rompen juntos y forman un solo agujero negro. Esta espectacular colisión genera más poder en las ondas gravitatorias de lo que es irradiado como luz por todas las estrellas del universo combinado. Estos eventos catastróficos duran sólo decenas de milisegundos, pero durante ese tiempo, son los fenómenos más poderosos desde el Big Bang.
Estas ondas transportan información sobre los agujeros negros que no se pueden obtener de ninguna otra manera, ya que los telescopios no pueden ver objetos que no emiten luz. Para cada evento, podemos medir las masas de los agujeros negros, su velocidad de rotación o "spin", y detalles sobre sus ubicaciones y orientaciones con diversos grados de certeza. Esta información nos permite aprender cómo estos objetos se formaron y evolucionaron a través del tiempo cósmico.
Si bien previamente hemos tenido una fuerte evidencia de la existencia de agujeros negros basados en el efecto de su gravedad sobre las estrellas circundantes y el gas, la información detallada de las ondas gravitatorias es invaluable para aprender sobre los orígenes de estos eventos espectaculares.
Detección De Las Más Pequeñas Fluctuaciones
Con el fin de detectar estas señales increíblemente silenciosas, los investigadores construyeron dos instrumentos LIGO, uno en Hanford, Washington, y los otros 3.000 kilómetros de distancia en Livingston, Louisiana. Están diseñados para aprovechar el efecto único que las ondas gravitacionales tienen sobre lo que encuentren. Cuando pasan las ondas gravitacionales, cambian la distancia entre los objetos. Hay ondas gravitacionales que pasan por ti ahora mismo, forzando tu cabeza, pies y todo lo demás para moverse hacia adelante y hacia atrás de una manera predecible pero imperceptible.
Comparación de plantillas de señales de ondas gravitacionales de observaciones recientes de LIGO Esta figura muestra reconstrucciones de las tres señales de onda gravitacionales confiadas y una candidata (LVT151012) detectadas por LIGO hasta la fecha, incluyendo la detección más reciente GW170104. Cada fila muestra la señal que llega al detector Hanford en función del tiempo. El grosor de las curvas indica el intervalo de confianza del 90% en los parámetros del modelo. Sólo se muestra aquí la parte de cada señal a la que LIGO era sensible (los segundos finales que conducen a la fusión del agujero negro). Crédito de la imagen: LIGO / Caltech / MIT / Universidad de Chicago (Ben Farr)
No se puede sentir este efecto, ni siquiera verlo con un microscopio, porque el cambio es tan increíblemente pequeño. Las ondas gravitacionales que podemos detectar con LIGO cambian la distancia entre cada extremo de los detectores de 4 kilómetros de largo por sólo 10⁻¹⁸ metros. ¿Qué tan pequeño es esto? Mil veces menor que el tamaño de un protón, por lo que no podemos esperar verlo con un microscopio.
Para medir una distancia tan pequeña, LIGO utiliza una técnica llamada "interferometría". Los investigadores dividen la luz de un solo láser en dos partes. Cada parte entonces viaja abajo uno de dos brazos perpendiculares que son cada uno 2.5 millas de largo. Finalmente, los dos se unen y se les permite interferir entre sí. El instrumento se calibra cuidadosamente para que, en ausencia de una onda gravitatoria, la interferencia del láser resulte en una cancelación casi perfecta -no sale luz del interferómetro.
Sin embargo, una onda gravitatoria de paso estirará un brazo al mismo tiempo que aprieta el otro brazo. Con las longitudes relativas de los brazos cambiados, la interferencia de la luz láser ya no será perfecta. Es este pequeño cambio en la cantidad de interferencia que Advanced LIGO está realmente midiendo, y esa medida nos dice cuál debe ser la forma detallada de la onda gravitatoria pasajera.
Todas las ondas gravitatorias tienen la forma de un "chirrido", donde tanto la amplitud (similar a la intensidad) como la frecuencia o tono de las señales aumentan con el tiempo. Sin embargo, las características de la fuente se codifican en los detalles precisos de este chirp y cómo evoluciona con el tiempo.
La forma de las ondas gravitatorias que observamos, a su vez, puede decirnos detalles sobre la fuente que no podían ser medidos de ninguna otra manera. Con las primeras tres detecciones seguras por Advanced LIGO, ya hemos encontrado que los agujeros negros son más comunes de lo que esperábamos, y que la variedad más común, que se forma directamente desde el colapso de las estrellas masivas, puede ser más masiva de lo que previamente El pensamiento era posible. Toda esta información nos ayuda a entender cómo las estrellas masivas evolucionan y mueren.
Nueva población de agujeros negros binarios. LIGO ha descubierto una nueva población de agujeros negros con masas que son más grandes de lo que se había visto antes con estudios de rayos X solo (púrpura). Las tres detecciones confirmadas por LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) y una detección de menor confianza (LVT151012), apuntan a una población de agujeros negros binarios de masa estelar que, una vez fusionados, son mayores que 20 masas solares era conocido antes. Crédito de la imagen: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet
Agujeros Negros Que Se Convierten En Menos De Una Caja Negra
Este evento más reciente, que hemos detectado el 4 de enero de 2017, es la fuente más distante que hemos observado hasta ahora. Debido a que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, cuando observamos objetos muy distantes, también miramos hacia atrás en el tiempo. Este evento más reciente es también la fuente de onda gravitacional más antigua que hemos detectado hasta ahora, habiendo ocurrido hace más de dos mil millones de años. En aquel entonces, el universo en sí era 20% más pequeño de lo que es hoy, y la vida multicelular aún no había surgido en la Tierra.
La masa del agujero negro final que queda tras esta colisión más reciente es 50 veces la masa de nuestro sol. Antes del primer evento detectado, que pesaba 60 veces la masa del sol, los astrónomos no creían que tales agujeros negros masivos pudieran formarse de esta manera. Mientras que el segundo evento fue sólo 20 masas solares, la detección de este evento adicional muy masivo sugiere que estos sistemas no sólo existen, pero pueden ser relativamente comunes.
Además de sus masas, los agujeros negros también pueden girar, y sus giros afectan la forma de su emisión de onda gravitacional. Los efectos del spin son más difíciles de medir, pero este evento más reciente muestra evidencia no sólo para el spin, sino potencialmente para el spin que no está orientado alrededor del mismo eje que la órbita del binario. Si el caso de tal desalineamiento puede hacerse más fuerte observando eventos futuros, tendrá implicaciones significativas para nuestra comprensión de cómo se forman estos pares de agujeros negros.
En los próximos años, tendremos más instrumentos como LIGO escuchando las ondas gravitacionales en Italia, en Japón y en la India, aprendiendo aún más sobre estas fuentes. Mis colegas y yo seguimos esperando con impaciencia la primera detección de un binario que contiene al menos una estrella de neutrones, un tipo de estrella densa que no era lo suficientemente masiva como para colapsar todo el camino hasta un agujero negro.
La mayoría de los astrónomos predijeron que pares de estrellas de neutrones serían observadas antes de pares de agujeros negros, por lo que su ausencia continuada presentaría un desafío a los teóricos. Su detección eventual facilitará una serie de nuevas posibilidades de descubrimientos, incluyendo la perspectiva de una mejor comprensión de estados extremadamente densos de materia y potencialmente observando una firma de luz única usando telescopios convencionales de la misma fuente que la señal de onda gravitatoria.
También esperamos detectar ondas gravitacionales dentro de los próximos años desde el espacio, usando relojes naturales muy precisos llamados pulsares, que envían radios a nuestra manera a intervalos muy regulares. Finalmente, planeamos colocar interferómetros extremadamente grandes en órbita, donde pueden evadir el retumbo persistente de la Tierra, que es una fuente limitante de ruido para los detectores Advanced LIGO.
Casi cada vez que los científicos han construido nuevos telescopios o aceleradores de partículas, han descubierto cosas que nadie hubiera podido predecir. Tan excitantes como las conocidas perspectivas de descubrimiento están en este nuevo campo de la astrofísica de la onda gravitatoria, como teórico estoy más emocionado por las maravillas desconocidas que todavía están en el almacén para nosotros.
Sean McWilliams es profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de West Virginia. Esta historia apareció originalmente en The Conversation.
Similar:
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With a little help from Google Translate for Business
Estos eventos duran sólo decenas de milisegundos, pero son los fenómenos más poderosos desde el Big Bang, y abrir una ventana completamente nueva en el universo.
Antes de la Fusión: Spiraling Black Holes. La concepción del artista muestra dos agujeros negros combinados similares a los detectados por LIGO. Los agujeros negros que en última instancia se en espiral juntos en un agujero negro más grande se ilustran para estar orbitando uno a otro en un plano. Los agujeros negros están girando de manera no alineada, lo que significa que tienen diferentes orientaciones en relación con el movimiento orbital general del par. Hay un indicio de este fenómeno encontrado por LIGO en al menos un agujero negro del sistema GW170104. Crédito de la imagen: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)
Por Sean Mcwilliams para FastCompany Junio 5 de 2017
Por tercera vez en un año y medio, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser Avanzado (LIGO: Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) ha detectado ondas gravitatorias. La hipótesis de Einstein hace un siglo, la identificación de estas ondulaciones en el espacio-tiempo –por tercera vez, nada menos– cumple la promesa de un área de astronomía que ha atraído a los científicos durante décadas, pero que siempre parecía estar justo fuera de Nuestro alcance.
Como astrofísico de onda gravitacional y miembro de la Colaboración científica LIGO, estoy naturalmente encantado de ver la visión de muchos de nosotros convirtiéndonos en una realidad. Pero estoy acostumbrado a encontrar mi propio trabajo más interesante y excitante que el de otras personas, por lo que la medida en que todo el mundo parece estar fascinado por este logro fue algo sorprendente. La emoción es bien merecida, sin embargo. Al detectar estas ondas gravitacionales por primera vez, no sólo hemos verificado directamente una predicción clave de la teoría de la relatividad general de Einstein de manera convincente y espectacular, sino que hemos abierto una ventana completamente nueva que revolucionará nuestra comprensión del cosmos.
Ya estos descubrimientos han afectado nuestra comprensión del universo. Y LIGO está empezando.
Mapa del cielo de las fusiones de agujero negro de LIGO Esta proyección tridimensional de la galaxia de la Vía Láctea sobre un globo transparente muestra las ubicaciones probables de los tres eventos confirmados de fusión de agujeros negros de LIGO: GW150914 (azul), GW151226 (naranja) Y la detección más reciente GW170104 (magenta) y una cuarta detección posible, con menor significación (LVT151012, verde). El contorno exterior para cada uno representa la región de confianza del 90 por ciento; El contorno más interno significa la región de confianza del 10 por ciento. Crédito de la imagen: LIGO / Caltech / MIT / Leo Singer (Imagen de la Vía Láctea: Axel Mellinger)
Entrando en Sintonía con el Universo
En su esencia, esta nueva forma de entender el universo se deriva de nuestra recién descubierta capacidad de escuchar su banda sonora. Las ondas gravitacionales no son en realidad ondas sonoras, pero la analogía es apta. Ambos tipos de ondas transportan información de manera similar, y ambos son fenómenos completamente independientes de la luz.
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo que se propagan hacia afuera desde procesos intensamente violentos y energéticos en el espacio. Pueden ser generados por objetos que no brillan, y pueden viajar a través del polvo, la materia o cualquier otra cosa, sin ser absorbidos o distorsionados. Llevan información única sobre sus fuentes que nos alcanza en un estado prístino, dándonos un verdadero sentido de la fuente que no se puede obtener de ninguna otra manera.
La relatividad general nos dice, entre otras cosas, que algunas estrellas pueden volverse tan densas que se cierran del resto del universo. Estos objetos extraordinarios se llaman agujeros negros. La relatividad general también predijo que cuando pares de agujeros negros orbitan estrechamente uno alrededor del otro en un sistema binario, agitan el espacio-tiempo, la propia estructura del cosmos. Es esta perturbación del espacio-tiempo la que envía energía a través del universo en forma de ondas gravitatorias.
Esta pérdida de energía hace que el binario se apriete más, hasta que finalmente los dos agujeros negros se rompen juntos y forman un solo agujero negro. Esta espectacular colisión genera más poder en las ondas gravitatorias de lo que es irradiado como luz por todas las estrellas del universo combinado. Estos eventos catastróficos duran sólo decenas de milisegundos, pero durante ese tiempo, son los fenómenos más poderosos desde el Big Bang.
Estas ondas transportan información sobre los agujeros negros que no se pueden obtener de ninguna otra manera, ya que los telescopios no pueden ver objetos que no emiten luz. Para cada evento, podemos medir las masas de los agujeros negros, su velocidad de rotación o "spin", y detalles sobre sus ubicaciones y orientaciones con diversos grados de certeza. Esta información nos permite aprender cómo estos objetos se formaron y evolucionaron a través del tiempo cósmico.
Si bien previamente hemos tenido una fuerte evidencia de la existencia de agujeros negros basados en el efecto de su gravedad sobre las estrellas circundantes y el gas, la información detallada de las ondas gravitatorias es invaluable para aprender sobre los orígenes de estos eventos espectaculares.
Detección De Las Más Pequeñas Fluctuaciones
Con el fin de detectar estas señales increíblemente silenciosas, los investigadores construyeron dos instrumentos LIGO, uno en Hanford, Washington, y los otros 3.000 kilómetros de distancia en Livingston, Louisiana. Están diseñados para aprovechar el efecto único que las ondas gravitacionales tienen sobre lo que encuentren. Cuando pasan las ondas gravitacionales, cambian la distancia entre los objetos. Hay ondas gravitacionales que pasan por ti ahora mismo, forzando tu cabeza, pies y todo lo demás para moverse hacia adelante y hacia atrás de una manera predecible pero imperceptible.
Comparación de plantillas de señales de ondas gravitacionales de observaciones recientes de LIGO Esta figura muestra reconstrucciones de las tres señales de onda gravitacionales confiadas y una candidata (LVT151012) detectadas por LIGO hasta la fecha, incluyendo la detección más reciente GW170104. Cada fila muestra la señal que llega al detector Hanford en función del tiempo. El grosor de las curvas indica el intervalo de confianza del 90% en los parámetros del modelo. Sólo se muestra aquí la parte de cada señal a la que LIGO era sensible (los segundos finales que conducen a la fusión del agujero negro). Crédito de la imagen: LIGO / Caltech / MIT / Universidad de Chicago (Ben Farr)
No se puede sentir este efecto, ni siquiera verlo con un microscopio, porque el cambio es tan increíblemente pequeño. Las ondas gravitacionales que podemos detectar con LIGO cambian la distancia entre cada extremo de los detectores de 4 kilómetros de largo por sólo 10⁻¹⁸ metros. ¿Qué tan pequeño es esto? Mil veces menor que el tamaño de un protón, por lo que no podemos esperar verlo con un microscopio.
Para medir una distancia tan pequeña, LIGO utiliza una técnica llamada "interferometría". Los investigadores dividen la luz de un solo láser en dos partes. Cada parte entonces viaja abajo uno de dos brazos perpendiculares que son cada uno 2.5 millas de largo. Finalmente, los dos se unen y se les permite interferir entre sí. El instrumento se calibra cuidadosamente para que, en ausencia de una onda gravitatoria, la interferencia del láser resulte en una cancelación casi perfecta -no sale luz del interferómetro.
Sin embargo, una onda gravitatoria de paso estirará un brazo al mismo tiempo que aprieta el otro brazo. Con las longitudes relativas de los brazos cambiados, la interferencia de la luz láser ya no será perfecta. Es este pequeño cambio en la cantidad de interferencia que Advanced LIGO está realmente midiendo, y esa medida nos dice cuál debe ser la forma detallada de la onda gravitatoria pasajera.
Todas las ondas gravitatorias tienen la forma de un "chirrido", donde tanto la amplitud (similar a la intensidad) como la frecuencia o tono de las señales aumentan con el tiempo. Sin embargo, las características de la fuente se codifican en los detalles precisos de este chirp y cómo evoluciona con el tiempo.
La forma de las ondas gravitatorias que observamos, a su vez, puede decirnos detalles sobre la fuente que no podían ser medidos de ninguna otra manera. Con las primeras tres detecciones seguras por Advanced LIGO, ya hemos encontrado que los agujeros negros son más comunes de lo que esperábamos, y que la variedad más común, que se forma directamente desde el colapso de las estrellas masivas, puede ser más masiva de lo que previamente El pensamiento era posible. Toda esta información nos ayuda a entender cómo las estrellas masivas evolucionan y mueren.
Nueva población de agujeros negros binarios. LIGO ha descubierto una nueva población de agujeros negros con masas que son más grandes de lo que se había visto antes con estudios de rayos X solo (púrpura). Las tres detecciones confirmadas por LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) y una detección de menor confianza (LVT151012), apuntan a una población de agujeros negros binarios de masa estelar que, una vez fusionados, son mayores que 20 masas solares era conocido antes. Crédito de la imagen: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet
Agujeros Negros Que Se Convierten En Menos De Una Caja Negra
Este evento más reciente, que hemos detectado el 4 de enero de 2017, es la fuente más distante que hemos observado hasta ahora. Debido a que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, cuando observamos objetos muy distantes, también miramos hacia atrás en el tiempo. Este evento más reciente es también la fuente de onda gravitacional más antigua que hemos detectado hasta ahora, habiendo ocurrido hace más de dos mil millones de años. En aquel entonces, el universo en sí era 20% más pequeño de lo que es hoy, y la vida multicelular aún no había surgido en la Tierra.
La masa del agujero negro final que queda tras esta colisión más reciente es 50 veces la masa de nuestro sol. Antes del primer evento detectado, que pesaba 60 veces la masa del sol, los astrónomos no creían que tales agujeros negros masivos pudieran formarse de esta manera. Mientras que el segundo evento fue sólo 20 masas solares, la detección de este evento adicional muy masivo sugiere que estos sistemas no sólo existen, pero pueden ser relativamente comunes.
Además de sus masas, los agujeros negros también pueden girar, y sus giros afectan la forma de su emisión de onda gravitacional. Los efectos del spin son más difíciles de medir, pero este evento más reciente muestra evidencia no sólo para el spin, sino potencialmente para el spin que no está orientado alrededor del mismo eje que la órbita del binario. Si el caso de tal desalineamiento puede hacerse más fuerte observando eventos futuros, tendrá implicaciones significativas para nuestra comprensión de cómo se forman estos pares de agujeros negros.
En los próximos años, tendremos más instrumentos como LIGO escuchando las ondas gravitacionales en Italia, en Japón y en la India, aprendiendo aún más sobre estas fuentes. Mis colegas y yo seguimos esperando con impaciencia la primera detección de un binario que contiene al menos una estrella de neutrones, un tipo de estrella densa que no era lo suficientemente masiva como para colapsar todo el camino hasta un agujero negro.
La mayoría de los astrónomos predijeron que pares de estrellas de neutrones serían observadas antes de pares de agujeros negros, por lo que su ausencia continuada presentaría un desafío a los teóricos. Su detección eventual facilitará una serie de nuevas posibilidades de descubrimientos, incluyendo la perspectiva de una mejor comprensión de estados extremadamente densos de materia y potencialmente observando una firma de luz única usando telescopios convencionales de la misma fuente que la señal de onda gravitatoria.
También esperamos detectar ondas gravitacionales dentro de los próximos años desde el espacio, usando relojes naturales muy precisos llamados pulsares, que envían radios a nuestra manera a intervalos muy regulares. Finalmente, planeamos colocar interferómetros extremadamente grandes en órbita, donde pueden evadir el retumbo persistente de la Tierra, que es una fuente limitante de ruido para los detectores Advanced LIGO.
Casi cada vez que los científicos han construido nuevos telescopios o aceleradores de partículas, han descubierto cosas que nadie hubiera podido predecir. Tan excitantes como las conocidas perspectivas de descubrimiento están en este nuevo campo de la astrofísica de la onda gravitatoria, como teórico estoy más emocionado por las maravillas desconocidas que todavía están en el almacén para nosotros.
Sean McWilliams es profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de West Virginia. Esta historia apareció originalmente en The Conversation.
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