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再揭冥王星奧秘

臺北天文館_96
・2016/03/28 ・1198字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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根據美國科學發展促進協會(American Association for the Advancement of Science,AAAS)年會最新釋出的 5 篇利用新視野號(New Horizons)飛掠時的觀測資料所做的研究報告指出:冥王星表面有著各式各樣的景色,令人目不暇給。讓天文學家瞭解到:這顆矮行星和其最大的衛星—冥衛一(Charon,可音譯為凱倫或夏戎)的差異愈來愈多。這些成果放在一起,可以讓天文學家們更進一步地瞭解行星演化的過程。

冥王星和它的衛星Charon。圖/NASA
冥王星和它的衛星冥衛一。圖/NASA

美國航太總署(NASA)新視野號任務團隊目前還在持續下載這架太空船於 2015 年 7 月 14 日飛掠冥王星和冥衛一時所蒐集的訊息。每當一批資料下載完成,科學家們迅及搶著分析研究,以期能「搶得頭香」。在最新發表的 5 篇論文中,第一篇由 Jeffrey Moore 等人提出,他們羅列出冥王星和冥衛一表面一系列的地質特徵,並提出冥王星上有板塊、冰河、大規模水-冰塊傳輸以及土石堆等地形應是冰火山所造成的證據。

 而地形多變顯示冥王星表面會因侵蝕等過程而經常翻新,這意味著冥王星在過去數億年間,有非常活躍的地形營歷(geomorphic processes),即地形形成過程與作用。冥衛一上的這類地形形成過程在近期內並不活躍,讓冥衛一的北半球粗糙崎嶇,南半球相對較為平緩,冥衛一表面的隕坑或溝槽等地形都比與冥王星的還老一些。

新視野號拍攝冥衛一的表面。圖/NASA
新視野號拍攝冥衛一的表面。圖/NASA

在 Will Grundy 等人提出的第二篇報告中,他們分析冥王星與冥衛一冰質表面的顏色和化學組成。這些易揮發的冰並不專指水冰,而是還包含固態氮,這些冰主宰了冥王星的表面,分佈甚廣,但各種分佈方式都有,Grundy等人認為這是不同季節和地質時間尺度內對地表進行地形營歷的結果,並建議一種托林(tholin)這種棕紅色複雜分子分佈甚廣,但主要累積在冥王星的幾個地方。

G. Gladstone等人發表的第三篇報告是研究冥王星的大氣層,他們發現冥王星大氣比預期的溫度還低,也比預期的還稠密,且大氣中含有數層大規模的霧霾。下圖可看到冥王星外有一層一層的大氣。

TA009784.cdr
冥王星外的大氣。圖/NASA

第四篇報告由Harold Weaver等人發表,他們研究的目標是冥王星除冥衛一之外的其他 4 顆小衛星—冥衛二(Nix)、冥衛三(Hydra)、冥衛四(Kerberos)與冥衛五(Styx)。它們的形狀都不規則,自轉速度極快,表面明亮。

最後的第五篇報告則是 Fran Bagenal 等人提出,呈現冥王星如何改變它的太空環境,包括其周邊的高能粒子會與太陽風帶電粒子交互作用,以及整個冥王星系統內缺乏塵埃等現象。

新視野號的新資料還在下載中,未來必定還有更多讓人驚艷的冥王星奧秘等著被揭露,天文學家還有得忙呢!

本文轉載自網路天文館

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旋轉、跳躍、冥王星他閉著眼,遊走在混亂邊緣?!
全國大學天文社聯盟
・2022/06/29 ・3745字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者/語星葉,與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹,正在努力成為天文學家。

在浩瀚的太陽系裡,冥王星一直是個迷人又「謎人」的存在。關於冥王星精彩的故事很多:1930年被鍥而不捨的天文台助理發現、2006年被從行星殿堂「降級」為矮行星、2014年新視野號成功飛掠並帶來無數珍貴的照片與科學資料……如今關於冥王星的新研究又帶來驚喜──或該說是驚嚇?

新視野號拍下的冥王星。圖/NASA

冥王星與海王星的「雙星共舞」

冥王星是第一顆被人類發現的「海王星外天體(Trans-Neptunian object, TNO)」。如今我們已知海王星軌道外有數百顆這類的天體,並且數量還在增加中。這類天體雖繞行著太陽,但其軌道週期之大,宛如被太陽遺忘在邊疆的散兵。有些 TNO 還長得奇形怪狀,例如妊神星(Haumea)雖然有 1/3 個冥王星的質量,但其外型不是球型,而是一顆橢球,且其長軸比短軸長了一倍!

大型的海王星外天體(TNO)體積對照圖。圖/Wikimedia Commons

上圖最左上角是冥王星系統,其中最大的衛星凱倫(Charon)甚至大到使這個雙體系統的重心在冥王星之外,因此也稱冥王星是個雙(矮行)星系統。而妊神星(Haumea)則硬生生長成恐龍蛋形狀,因其自轉一圈只花 4 小時,這樣的高自轉速度使它無法成球體。值得一提的是,已知的 TNO 體積都小於月球。

冥王星本身更是有許多有趣的現象。冥王星的軌道偏心率高,呈橢圓狀,而且軌道平面是傾斜的,跟太陽系盤面差了 17 度角(見下圖)。除此之外,冥王星跟海王星的關係可謂糾葛難分──冥王星的軌道跟海王星有些微交錯,即某些時候冥王星會轉到海王星軌道的內側,此時冥王星比海王星離太陽更近!這樣難道兩顆星不會因為太過靠近,而使彼此的軌道不穩定嗎?天文學家發現,冥王星與海王星的軌道呈和諧的共振關係,兩顆星就像在跳方塊舞,互相受彼此的重力牽連著、卻不會因距離太近而打破軌道的平衡。

這兩顆星的和諧軌道共振有兩個要素:首先,冥王星跟海王星的軌道週期呈現近乎 3:2 的比例,且當冥王星在近日點時,海王星大約在與其軌道長軸呈垂直的位置。更精確地說,冥王星的近日點位置是會浮動的,在天體力學中稱為冥王星近日點的天平動(Libration,指的是天體軌道角度的週期性震盪)。

若由上往下看太陽系盤面,冥王星的近日點天平動會與海王星軌道保持上述的關係,因而不會與海王星太過接近。另一個要素則是軌道傾角方向的天平動。由於先前提到的軌道傾斜,冥王星的近日點能保持在遠高於海王星軌道平面的位置,因此更加確保兩顆星不會相遇

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上圖為冥王星軌道與八大行星軌道對照圖。截圖自The Sky Map | 3D Solar System Simulator
有興趣的讀者可以上這個網站,搜尋 Pluto 並勾選 animate ,調整合適的時距,便可以隨心所欲從任意角度觀察冥王星與八大行星的軌道運動。只是 3D 模擬運算量大,網站頗容易當哈哈……

你以為天體運行繞一圈就結束了嗎?讓影片畫給你看

其實天體力學的軌道計算非常的複雜。連結是神人用 Python 寫的開源模擬所繪製的影片。前半段影片顯示的是冥王星與海王星的軌道共振狀態,冥王星以紅色標示,海王星以藍色標示,坐標系則隨著海王星一起公轉;後半段影片展示一個無軌道共振的系統作為對照,冥王星質量的天體以綠色表示。

影片中,左上圖是從上往下看太陽系盤面,可以看見海王星的位置其實有微小的變化,這是因為海王星的軌道並非正圓;而冥王星的軌跡則顯示出上下兩個對稱的弧線,這是近日點的位置,可以發現平均下來近日點跟太陽的連線,的確跟海王星位置跟太陽的連線是垂直的,還可以觀察到近日點天平動的幅度。

下方兩張圖則是從側面看太陽系(平行於太陽系盤面看過去),可以看出兩側高凸的近日點位置的確遠高出黃道面(z=0)。這個模擬的時長為 2 萬年,冥王星約繞行太陽 80 圈,可以看見其軌跡是有跡可循的;相對的,影片後半沒有軌道共振的對照組,其近日點在這兩萬年內不斷地漂泊,繞行軌跡也相當混亂無序。

上述的模擬只考慮了太陽、海王星與冥王星的三體運動(雖然已經極為複雜了),那麼其他已知的氣體行星,會不會對冥王星軌道造成微小的擾動呢?欸嘿, N-body simulation 出場了!(筆者表示害怕)

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天體間精巧的運行,就像宇宙中迷人的舞步。 圖/envato

天體力學下的平衡

美國亞利桑那大學的天文學家 Malhotra 與日本國立天文台的 Ito 研究員,在他們的模擬中考慮了太陽以及所有氣體巨行星──木星、土星、天王星與海王星──對冥王星的重力作用,並且把模擬時長拉長到50億年(上述 Python 模擬的 16 萬倍),也就是預期太陽剩餘的壽命。他們想嘗試回答,在太陽穩定照亮世間的漫漫時光裡,像冥王星這樣軌道如此精巧的天體,究竟是否能長久和海王星跳著方塊舞呢?

在模擬中,他們分別測試了不同的行星組合,以判斷各巨行星對冥王星軌道的影響。一如過去所知,模擬結果顯示了海王星的重力主導了冥王星近日點在平行太陽系盤面方向的天平動,也就是保持著 3/2 的和諧共振。然而,對於軌道傾角方向的天平動,海王星並未握有太大實權。拉長時間來看,冥王星近日點的天平動無論在平行盤面、軌道傾角兩個方向上,對巨行星們的一舉一動都頗為敏感。巨行星們的重力作用會使冥王星軌道產生微擾(Perturbation),使冥王星軌道產生天平動,只要天平動限縮在穩定的範圍內,就不用擔心冥王星會被耍得團團轉。

令人驚訝的是,根據模擬結果,他們發現在平行盤面的方向上,天王星竟在破壞冥王星的軌道穩定!不過別擔心,這個軌道穩定破壞者正被木星和土星給鎮壓著──在不含天王星的模型中,冥王星平行盤面的天平動和實際情況相去不遠,然而在移除木星和土星、只考慮天王星及海王星的模型裡,冥王星軌道只能在千萬年之內保持穩定。然而在軌道傾角方向上,天王星又有其貢獻,因為只有在考慮所有巨行星的模型裡,此方向的天平動才是與現實相符且長久穩定的

因此,在維護冥王星精密的軌道平衡上,四大行星可謂缺一不可。更令人驚奇的是,在漫長的 50 億年模擬中,冥王星的天平動雖被限縮在一個安全穩定的範圍內,但這個穩定範圍其實非常的狹窄!若冥王星稍有不慎,掉到了安全範圍之外,其軌道將變得無序而渾沌,便不再跟海王星跳著和諧的方塊舞了。

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天體只要一脫離重力穩定帶,便有可能就此離開太陽系這個大舞池。 圖/envato

太陽系就是個大舞池

看到這裡,你是否震撼於冥王星的軌道之精密,簡直像是被刻意調整過的呢?就如同生物演化的優勝劣汰,過去太陽系也曾盛大進行著重力之舞淘汰賽,只要一有天體踏出重力穩定帶,便可能被逐出舞池、或者惹上其他天體的麻煩。

今日現存的太陽系成員都是重力之舞的佼佼者,它們因緣際會來到為數不多的重力穩定帶,尋得屬於自己的舞步,悠然繞旋至今。然而在過去,它們可都曾有過波瀾壯闊的瞬間──或許是與其他天體擦身而過、或許是被逼到穩定帶的邊陲……透過精細演算太陽系天體的移動,天文學家得以窺探這場重力之舞淘汰賽的精彩回顧,甚至可能發現被淘汰天體所遺留的蛛絲馬跡。

如今在太陽系這浩瀚的舞台上,行星、衛星、彗星、 TNO 等天體組成舞團,相互配合著對方的舞步,漫遊於其中。它們已是訓練有素的舞者,所演出的每一支舞都令人為之震撼,值得反覆品味、研究,就連遠在五十億公里外的冥王星,都使天文學家為之神往。究竟從冥王星複雜而精美的舞步中,還能挖掘出什麼有趣的新發現呢?讓我們拭目以待!

宇宙的奧秘,吸引著人們不斷地探索。 圖/envato

註:關於冥王星的故事,非常推薦閱讀精采的《冥王星任務》(時報出版)一書,由新視野號主持人共同執筆寫下,高潮迭起、充滿笑與淚,會讓你一看就停不下來!

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參考資料:

paper本體https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2118692119

科普新聞 https://www.space.com/pluto-orbit-influences-from-giant-planets

冥王星軌道開源模擬 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2515-5172/ac3086, https://github.com/renumalhotra/2021-Pluto-Neptune-Resonant-Dynamics-Visualized-in-4D

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意外發生!我們與新視野號太空船失聯了——《冥王星任務》引言(上)
時報出版_96
・2019/05/28 ・2237字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

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關鍵時刻,意外發生

二○一五年七月四日,星期六的下午,航太總署的「新視野號」冥王星任務負責人艾倫.史登人在距離新視野號計畫任務控制中心不遠處的辦公室裡。他星期六也沒休息,但工作到一半,電話鈴聲突然響起。他不會不知道這天美國國慶放假,但對他來講,這天真正的意義是「飛掠冥王星前十天」。新視野號,這個他投入了前後十四年的飛行器任務,如今只剩十天就要達成目標,將要與人類探索過最遙遠的系內行星面對面。

圖/pixabay

那天下午,一如往常埋首公務的艾倫,正忙著籌畫飛越冥王星的各項事務。進入任務的最後衝刺階段,他已經習慣睡少工作多,但那天他又特別比平常更早起,半夜就進到了任務指揮中心。他趕這麼早,是為了把大量的電腦指示上傳給飛行器,這些都是新視野號即將飛掠冥王星時不可或缺的導航資料。這一大包待傳的指令資料,代表的是近十年的努力心血。而那天早晨,已經以無線電波送出這些指令,現正以光速在追趕新視野號。至於冥王星,新視野號不斷接近當中。

看了一眼響著的手機,艾倫對來電的人是葛倫.方騰(Glen Fountain)有點吃驚。葛倫長年擔任新視野號任務的計畫經理。艾倫對葛倫此時來電,心生一股寒意,因為他知道住附近的葛倫今天休假在家。葛倫不是應該為了即將到來的重頭戲養精蓄銳嗎?他這時打電話是所為何來?

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無論如何,艾倫先接起了電話。「葛倫,怎麼了嗎?」

「我們跟太空船失聯了。」

艾倫回說:「我跟你約任務指揮中心,五分鐘後見。」說完艾倫掛上電話,在辦公桌前坐了幾秒鐘,驚魂未定的他搖了搖頭,直覺不可置信。計畫以外的失聯,是所有飛行器的大忌,對整整九年的航行都沒失聯過的新視野號來說,更是大忌中的大忌。眼看十天後就要飛抵冥王星,現在失聯會不會太要人命?

圖/wikimedia

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他抓起隨身的東西,把頭伸進走廊盡頭、他原本要主持的會議中交代說:「我們跟太空船失聯了。」聽他這麼說,同仁們震撼地望著他。「我現在去任務指揮中心一趟,去多久很難講,但今天大概不會回來了。」他頂著馬里蘭州的酷暑步行去取車,然後在約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)的校園裡開了半英里(約一點六公里),來到了新視野號的指揮重地。這裡,是馬里蘭州的勞瑞爾市。

最漫長的一段車程

這短短幾分鐘的車程,不啻是艾倫一輩子感覺最漫長的幾分鐘。他對團隊處理危機有絕對的信心:他們演習過不知道多少種突發狀況,這個危機或許別人無法處理,但新視野號團隊絕對沒有問題。但話說回來,他還是不免擔心起自己最不樂見的情形。

他不免想起了航太總署那命運多舛的火星觀察者號(Mars Observer)。一九九二年發射的火星觀察者號,也曾在它要抵達火星的三天前失聯。地球上使盡渾身解數想要重建通訊,但都沒有成功。航太總署後來判斷火星觀察者號的燃料艙破裂,進而導致整艘太空船陷入無法挽回的災難。用白話說就是,船在太空中炸了。

艾倫心想:「萬一真的失去新視野號,這個橫跨十四年的計畫,超過兩千五百位同仁的心血付出,就付諸流水了。我們對冥王星的了解絲毫沒有增進,而新視野號則會成為夢想破滅的代名詞。日後凡提到某件事功虧一簣,新視野號的形象就會浮現眾人眼前。」

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嘗試連線

艾倫一抵達偌大、幾乎沒有對外窗的辦公大樓,也就是任務指揮中心的所在地,他首先停好車,把負面的念頭統統轟出腦袋,然後便進門開始幹活。新視野號的任務指揮中心,完全符合一般人對於太空飛行器控制中心的想像。只要你看過《阿波羅十三號》或其他的太空電影,你就知道那是一幅什麼樣的光景:發著光的巨型投影銀幕牆,是室內最搶眼的陳設,至於橫在銀幕牆前的控制台,則是一排接著一排、正常大小的電腦螢幕。

新視野號於 2015 年 7 月 14 日掠過冥王星時的飛行路徑。圖/wikipedia

在前往過去曾是太陽系第九顆行星的漫漫九年裡,新視野號的無線電是一種生命線般的存在。因為有了這條連結,團隊才得以聯繫飛船、控制飛船,另外要讀取飛船的狀態、接收飛船得到的觀測數據,也都得經由這條連線。隨著新視野號朝太陽系的外圍愈飛愈遠,通訊的時間延誤也愈來愈久。到了這最後關頭,地球與新視野的通聯已經要九小時才能一來一回,這是用光速行進需要的時間。

為了保持與地球的聯繫,新視野號跟所有長程無人太空船一樣,都倚賴一種幾乎不為人所知、當然也得不到稱頌的行星探險神器:航太總署的「深空網路」(Deep Space Network)。這是一個由三組巨型碟型天線集成、三位一體的無線電網,三處天線集成分別位於美國加州金石、西班牙馬德里,以及南半球澳洲的坎培拉。這三處的碟型天線完美無瑕地進行接力,擔下與飛船通訊的重責大任。因為地球會每二十四小時自轉一周,因此這三處選址才刻意散布在世界三大洲。不論飛船位於深邃太空的任何角落,總有一處天線可以對準訊號的來源。

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但如今……深空網路聯繫不上他們極其珍貴的資產,新視野號。

——本文摘自《冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》,2019 年 4 月,時報出版

時報出版_96
174 篇文章 ・ 34 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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一起來見證奇蹟吧!新視野號的冥王星任務圓滿達成——《冥王星任務》序(下)
時報出版_96
・2019/05/27 ・1634字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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故事的起源

我們兩人結識在二十五年前,當時這故事才剛開始不久,而這一路上,一系列不可思議的事件開展,我們也為此嘆為觀止。我們在人生道路上一起前進,也一起見證了新視野號從核准、建造然後奔向太陽系邊界中的每一場奮鬥。

冥王星上的諾蓋山脈(左側前景)、希拉蕊山脈(左側天際線)以及史波尼克高原(右側)的景象 。圖/wikipedia

在接下來的篇章中,我們會嘗試融合兩人的聲音,我們會試著集中兩人的視角,讓大家身歷其境,體驗這場冥王星之旅的醞釀、實踐與開花結果──讓人類對太陽系行星偵測完成大滿貫的劃時代之旅。

這本書的核心內容,出自於我們兩人之間一長串的電話對談。曾經有長達一年半的時間,我們會每個星期六早上通電話,回溯新視野號的冒險史詩。透過電話,艾倫會對大衛講述他記憶中的新視野號計畫,乃至於計畫所有的前身與階段。以談話逐字稿做為材料,大衛寫成了多數章節的初稿。初稿經過我們之間來來回回的編輯與改寫,故事就在去蕪存菁中慢慢浮現。

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最後的成果:這本書集結了我們的雙重觀察,再輔以諸多關鍵人物的意見。不過整體來講,這還是一個從計畫指揮者艾倫眼中看到、並由大衛口中說出的故事。

出版成書

圖/af.mil

合寫這本書,有些挑戰必須克服。比方說除卻原文引用的段落,我們無法使用第一人稱,因為大衛是共同作者(所以像「聽到的事情令我不敢置信」這種寫法,就不能在書裡出現)。在艾倫是共同作者的書裡使用第三人稱,感覺固然有點怪(如「艾倫對聽到的事情感到不可置信」),但為求風格上的統一,我們還是選擇採取第三人稱來指涉艾倫。至於艾倫嘴裡吐出的話,就跟其他人的發言一樣,都會以第一人稱的引言呈現,而且通常會另立一段來與主文區隔。很多引言都出自我們合作初期,即在周六講長途電話的逐字稿。

現代的行星探險,是極其複雜的工作,而這類工作的成功,必然取決於眾多優秀人才的群策群力。在參與新視野號任務的人員當中,不乏某些人花費了幾十年的生命在夢想上、在策略的擬定上、在事務的計畫上、在太空船的建造上、在朝冥王星飛去的飛船駕駛上。

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新視野號升空。圖/wikipedia

所以我們想說的是:為冥王星探險付出過心血的人之多,我們希望能提及的人如此之多,絕非本書篇幅所能乘載。我們對這一點深感遺憾,但為了把故事說好說清楚,即使難過,但也只能無奈地讓許多做出貢獻的人成為本書的遺珠。對於堅持控制適當篇幅一事,我們要對編輯們說聲感謝,謝謝他們讓新視野號的故事變得更好。

見證奇蹟

回顧一整個世代,新視野任務真的是一個異數──對未知世界的純然探索。放眼現在,我們也看不到像新視野號的任務在醞釀中,更不要說成真。

在即將開始的篇章中,我們會分享參與新視野號的工作是怎樣的一種經驗,畢竟這是人類太空探險史上最為人所熟知的一次計畫。探索冥王星的努力,背後是一個時而不可思議、時而令人膽戰心驚的故事,當中穿插著一道又一道意想不到的盲彎,一條又一條看似走不通的死路,還有許許多多的驚險一瞬間。這些點點滴滴,都讓新視野號成功看似奇蹟──但奇蹟就真的發生了。

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現在就跟我們一起,去了解這一切是怎麼發生的吧。跟我們一起,去體驗身在其中是什麼感覺吧。

──艾倫.史登,科羅拉多州波德
──大衛.葛林史彭,華府
二○一八年一月

——本文摘自《冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》,2019 年 4 月,時報出版

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