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矮行星

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提示:本条目的主题不是小行星
穀神星,小行星帶中唯一一個矮行星。圖片由曙光號拍攝 新視野號於2015年7月13日所拍攝之冥王星
哈勃太空望遠鏡於2006年拍攝之鳥神星      鬩神星及其衛星。圖片由哈勃太空望遠鏡拍攝
妊神星和它的兩顆衛星。圖片由凱克天文台拍攝
最早確認的五顆矮行星,從左至右分別為:

(詳見矮行星候選者列表

矮行星,又稱侏儒行星,是具有行星級質量,但又不屬於行星自然衛星的一類太陽系天體。矮行星直接圍繞太陽公轉,其自身重力足以使它達致流體靜力學平衡,但又未能清除軌道鄰近小天體[1][2]

越來越多海王星外天體陸續被發現,不少的大小與冥王星相當。在質量比冥王星更高的鬩神星被發現之後,國際天文聯會(IAU)於2006年決定把圍繞太陽公轉的天體分為三類,「矮行星」一詞也就此誕生。[1][3]IAU把矮行星剔除大行星之列,各界對此褒貶不一。發現鬩神星等矮行星的天文學家米高·E·布朗稱之為「正確的決定」,[4][5][6]但在1990年創造「矮行星」一詞的阿蘭·斯特恩卻持相反意見。[7][8][9]目前經IAU確認的矮行星共有五個:穀神星冥王星妊神星鳥神星鬩神星[10]布朗曾批評設定官方列表的做法,因為這樣會使人誤以為太陽系只有五顆符合IAU矮行星定義的已知天體,但事實上這一數字是高於五的。[11]

太陽系中可能還有近百個已知天體可被歸為矮行星。[12]根據估計,如果完全探索凱伯帶區域,有可能發現高達200個矮行星;如果加上分散在凱伯帶以外的所有天體,這一數字甚至可超過1萬。[13]個別天文學家已確認一些額外的矮行星,[12]其中布朗就在2011年8月發表過一份包含390個天體的列表,包括「幾乎肯定」到「有可能」的矮行星。[11]布朗目前把11個天體列為「幾乎肯定」的矮行星,除IAU承認的五個以外,還有2007 OR10創神星塞德娜亡神星2002 MS4潫神星;另有12個「可能性極高」的矮行星。[12]斯特恩則聲稱符合矮行星定義的天體超過十幾個。[13]

不過,有足夠詳細的觀測確認符合IAU矮行星定義的天體,就只有穀神星和冥王星兩個。IAU之所以把鬩神星也歸為矮行星,是因為它的質量比冥王星高。他們之後又決定,所有絕對星等超過+1(對應於直徑大於838公里、幾何反照率小於1)、尚未得名的海王星外天體,[14]都可以假設符合矮行星的定義並予以命名。[15]當時只有鳥神星和妊神星符合這一標準,它們也因此得名,成為矮行星。有關如何處理其他行星系中具有矮行星特性的天體,科學界尚無定論。[16]

歷史[编辑]

自從1801年天文學家發現穀神星開始,位於火星木星之間不少其他天體也陸續被發現,並被稱為行星。1851年,太陽系的行星數目達到了23,天文學家們也不再把較小的天體稱為行星,而是歸為小行星[17]

在1930年冥王星被發現之後,大部份天文學家認為太陽系有九大行星,以及幾千個小天體,如小行星和彗星。其後的幾乎50年內,天文學家都以為冥王星比水星還要大,[18][19]直到1978年發現冥衛一之後,才有可能準確測定冥王星的質量。[20]冥王星的質量只有水星的二十分之一左右,它也因此成為當時最小的行星。雖然它是小行星帶最大天體穀神星的十倍之大,但它只有月球的五分之一大。[21]此外,冥王星擁有一些奇特的屬性,例如高軌道離心率、高軌道傾角等。人們開始意識到它是與其他八個行星截然不同的一種天體。[22]

1990年代,天文學家開始在冥王星軌道附近(凱伯帶)以及更遠的區域發現其他的天體,其中不少的關鍵軌道屬性與冥王星有相似之處。[23]人們開始把冥王星視為一個新類別天體──冥族小天體──中最大的一員,一些天文學家也因此不再把冥王星稱為行星。當時使用的名詞包括「次行星」(subplanet)、「類行星」(planetoid)等,今天這些天體則稱矮行星。[24][25]在2005年大小與冥王星相當的已知海王星外天體共有三個:創神星塞德娜鬩神星[26]要麼這些天體都要歸為行星,要麼冥王星就要重新歸類。[27]天文學家相信將會發現更多和冥王星大小相近的天體,如果冥王星要繼續成為行星的話,行星的總數目就會快速增長。[28]

2005年鬩神星(當時編號為2003 UB313)發現之時,[29]天文學家估計它比冥王星稍大,一些報導非正式地稱其為第十行星[30]因此,在2006年8月舉行的國際天文聯會第二十六屆全體會議上,科學家對行星的定義進行了激烈的辯論。[31]IAU的最初提議草案將冥衛一、鬩神星和穀神星也歸入行星之列,但受到了許多天文學家的反對。烏拉圭天文學家胡利奧·昂海爾·費爾南德斯(Julio Ángel Fernández)提議建立一種居中的類別:足夠形成橢球體形、但又未能清除其軌道內微行星的較大天體。冥王星、冥衛一、穀神星及鬩神星都因此未能躋身行星的行列,因為它們都沒有清除軌道內的小天體。[32]

IAU在最後的5A決議案中採用了這種劃分為三的分類法。詳文如下:

IAU……決定把太陽系中的行星及其他天體,除衛星外,分為以下三類:

(1)行星1是符合以下條件的天體:(a)它圍繞太陽公轉;(b)有足夠質量以自身的重力克服固體應力,達到流體靜力學平衡(近乎球體)的形狀;(c)它能清除軌道附近的小天體
(2)「矮行星」是符合以下條件的天體:(a)它圍繞太陽公轉;(b)有足夠質量以自身的重力克服固體應力,達到流體靜力學平衡(近乎球體)的形狀2;(c)它未能清除軌道附近的小天體;(d)不是衛星
(3)圍繞太陽公轉的所有其他天體3,除衛星以外,都統稱為「太陽系小天體」。

腳註:
1八大行星共包括:水星金星地球火星木星土星天王星海王星
2IAU會設立程序,決定臨界天體屬於矮行星還是某個其他類別。
3目前包括太陽系大部份小行星、大部份海王星外天體(TNOs)、彗星以及其他小天體。

太陽系以外的行星應如何分類這一議題,[16]至今尚未得到解決。IAU建議擱置討論,等到這類天體被觀測到後,才進一步修訂定義。[32]

在矮行星的探測方面,截至2015年7月,共有兩艘飛船近距離觀察研究矮行星。2015年3月6日,曙光號探測器進入了環繞穀神星的軌道,成為第一艘環繞矮行星的航天器。[33]2015年7月14日,新視野號探測器略過了冥王星系統。

名詞[编辑]

「矮行星」(英语dwarf planet)一詞本身也具有爭議性。它似乎意味著這些天體都屬於行星,就像矮星都屬於恒星一樣。(當然,小行星也不屬於行星。)斯特恩創造這一名詞的時候,就是這樣意想太陽系天體的分類方法的。更早使用的「類行星」(planetoid,即「類似於但不同於行星」的意思)在英文當中就沒有這種含義,天文學家也用類行星來描述符合IAU定義的這些天體。[34]布朗認為類行星是一個沿用已久的很好的名詞,而且把不屬於行星的天體稱作矮行星是愚蠢的做法。選用矮行星一詞,是為IAU第三組全體會議中以第二決議案使冥王星重新歸為行星而鋪墊的。[35]5A決議案的確把這些中等大小天體稱為類行星,[36][37]但在全體會議中,矮行星這一稱呼經投票全體通過。[1]接著的5B決議案將矮行星歸為附屬於行星的次分類,與其餘八大行星(又稱「古典行星」,classical planet)區分開來。這符合斯特恩的初衷。被否決的提案中所列入的共12顆行星,就會如此分為8顆古典行星和4顆矮行星。然而,在5A決議案投票通過的同一會議上,5B決議案被否決了。[35]基於「矮行星非行星」在英文語境中的字面矛盾,IAU又提出了「納行星」(nanoplanet)和「次行星」(subplanet)等名詞,但小天體名詞委員會沒有對更名達成共識。[38]

英文dwarf planet中的「dwarf」可理解為矮人、侏儒。大部份語言取字面意思直接翻譯,如:法文planète naine、西班牙文planeta enano、德文Zwergplanet、俄文карликовая планета(羅馬化:karlikovaya planeta)、阿拉伯文كوكب قزم‎(羅馬化:kaukab qazm)、中文行星、韓文왜소행성(矮小行星)等等。例外的則有日文的準惑星和拉丁文的planetula(或取希臘文詞尾的planetion),後者是planeta(行星)的小稱

IAU在2006年會議上的6A決議案中[39]把冥王星視為一個新的海王星天體類別中的標誌性成員,但這一新類別的確切定義及名稱要待IAU日後再決定。在決議前的辯論之中,人們提出了各種名詞,包括「pluton」和「類冥王星天體」等,但都沒有被保留下來。這可能是因為「pluton」會和英文拼寫相同的深成岩相混淆。[1]2008年6月11日,IAU執行委員會公佈了名詞「plutoid」(中文現稱類冥矮行星),指所有海王星外矮行星。[15]但「某程度上由於電郵上的溝通問題,行星系名詞工作小組(WG-PSN)並沒有參與選定plutoid一詞。……實際上,在執行委員會會議以後,WG-PSN已投票反對使用此詞。」[40]天文學家也並未廣泛沿用這一名詞。

特性[编辑]

行星判別係數[41]
天體 M (1) Λ (2) µ (3)
水星 0.055 1.95 × 103 9.1 × 104
金星 0.815 1.66 × 105 1.35 × 106
地球 1 1.53 × 105 1.7 × 106
火星 0.107 9.42 × 102 1.8 × 105
穀神星 0.000 15 8.32 × 10−4 0.33
木星 317.7 1.30 × 109 6.25 × 105
土星 95.2 4.68 × 107 1.9 × 105
天王星 14.5 3.85 × 105 2.9 × 104
海王星 17.1 2.73 × 105 2.4 × 104
冥王星 0.002 2 2.95 × 10−3 0.077
鬩神星 0.002 8 2.13 × 10−3 0.10
塞德娜 0.000 22 3.64 × 10−7 <0.07[42]

上表列出所有行星及最大的矮行星(紫色)。這些矮行星的軌道範圍包括了所有可能的矮行星,而這些候選矮行星的判別係數都比表中對應區域矮行星的係數低。

(1) M地球質量(5.97 × 1024 kg),在此作為單位質量。
(2) Λ清除鄰近小天體的能力值(行星均高於1):Λ = k M2 a−3/2,其中k = 0.0043,假設Ma的單位分別為堯它克AU[43]
(3) µ索特行星判別係數(行星均高於100):µ = M/m,其中M為天體質量,m等於共享同一軌道的所有其他天體質量之和。

軌道支配地位[编辑]

阿蘭·斯特恩哈羅德·利維森(Harold F. Levison)引入了參數Λ,用於表示天體在給定的軌道偏移下,與臨近天體碰撞的機率。[43]在斯特恩的模型當中,Λ和質量的平方成正比、和公轉週期成反比。利用該參數可以估計某一天體清除軌道鄰近小天體的能力。若Λ > 1天體就能最終清除其軌道附近的小天體。在最小的類地行星和最大的小行星及凱伯帶天體之間,Λ的數值有著五個數量級的差距。[41]

史蒂芬·索特(Steven Soter)等天文學家主張行星和矮行星的區分標準應為:行星能夠通過碰撞、捕獲或重力擾動(或形成軌道共振避免碰撞)來清除臨近的小天體,而矮行星則因質量太小而不能。[43]索特又提出了所謂的行星判別係數,以µ表示,定義為天體質量除以共享同一軌道區域的其他天體質量之和,並以µ > 100作為已清除軌道的臨界值。[41]用於區分行星和矮行星的還有其他若干個標準,[7]但2006年的定義中選用了索特的標準。[1]

大小與質量[编辑]

當天體重力足夠強的時候,其內部壓力會使它塑性變形。較高的可塑性可以使凸出處下沉,使凹陷處升起,這種過程稱為重力弛緩。小於幾公里的天體由重力以外的力主導,通常擁有不規則形狀;重力更強但未達到主導地位的較大天體,通常呈「土豆形」。隨著天體質量的上升,其壓力最終足以克服內部抗壓強度,使形狀達致流體靜力學平衡。此時的天體為類球體形,是在其自轉及潮汐效應下所能達到的「最圓」形狀。這也是矮行星的判定界線之一。[44]

當天體達到流體靜力學平衡之後,覆蓋其表面的一層液體就會形成與天體形狀相同的液體層,除了一些小範圍的表面特徵以外(如撞擊坑和裂痕等)。不自轉的天體會呈球體,但天體的自轉速率越高,它就約趨於扁球體,甚至橢球體。不過,這種自轉中的大天體就算被熔化成液體,其形狀也不會改變。妊神星就是處於流體靜力學平衡、擁有非球體形狀的一個極端例子──其長軸是短軸的兩倍之長。如果天體擁有較大的伴星,它還會受到潮汐力的影響,使其形成長球體形狀,例如受到木星強大潮汐力影響的木衛一。潮汐力還會導致天體的自轉逐漸進入潮汐鎖定,也就是永遠以同一面面向其伴星。例子有:冥王星﹣冥衛一系統的雙重潮汐鎖定、月球對著地球的潮汐鎖定以及不少衛星對著氣態巨行星的潮汐鎖定等。

IAU確認的矮行星與月球的質量比較。鳥神星的質量為粗略估值。

IAU沒有制定矮行星大小和質量的上限及下限。上限並不存在:就算天體比水星還要大,只要它不能清除鄰近的小天體,就會被歸為矮行星。[45]下限則由是否達到流體靜力學平衡的條件來決定,但具體的大小和質量卻取決於成份和熱歷史。2006年的IAU決議案初稿把流體靜力學平衡重新定義,限制「適用於質量高於5×1020 kg且直徑大於800 km的天體」,[16]但定稿中沒有保留此句。[1]

觀察指出,大小及質量下限取決於天體的成份和熱歷史。對於硬性矽酸鹽天體,如石質小行星,轉變至流體靜力學平衡時的直徑大約在600 km,質量大約在3.4×1020 kg。對於硬性較低的水冰天體,這兩個數值大約分別為320 km和1019 kg。 [46]在小行星帶中,穀神星是唯一一個明確超過矽酸鹽天體大小及質量下限的天體(但它其實由石、冰混合組成),其形狀也符合處於平衡狀態的球體。智神星灶神星為石質小行星,僅在下限以下。智神星的直徑和質量分別為525–560 km和1.85–2.4×1020 kg,雖然幾乎呈球體狀,但不規則度仍較大。灶神星的直徑和質量分別為530 km和2.6×1020 kg,其南極地區一個因撞擊產生的大型盆地使它的形狀偏離了類球體。

在對矮行星這一概念進行辯論時,被認為達到流體靜力學平衡的最小冰質天體是土衛一(直徑396 km,質量3.75×1019 kg)。位於外太陽系的最大不規則天體為海衛八(直徑405–435 km,假設的質量約為4.4×1019 kg)。土衛一比海衛八形狀更為規則,可能是因為它有著更高溫的熱歷史,或者是一次撞擊事件使它的形狀變得更規則的。[47]這兩個天體都不是由純冰組成,所以布朗認為冰質矮行星的實際直徑下限可能在400 km以下。[48]目前位於這一數值以上的海王星外天體共有一百個左右。然而,後來科學家發現土衛一並不處於流體靜力學平衡,其橢球形是演變歷史所致,這和更極端的土衛九相似。經過確認,在土星的衛星當中,達到流體靜力學平衡的最小者為土衛五,直徑為1,530 km,而不處於流體靜力學平衡的最大者為土衛八,直徑為1,470 km。[49][50]土衛八比鳥神星(1,415–1,445 km)稍大,又比妊神星(1,180–1,310 km)大得多,但這些研究結果並沒有被納入針對矮行星定義的討論當中。

矮行星及可能的矮行星[编辑]

最大海王星外天體的相對大小、反照率及顏色示意圖

科學家認為海王星外天體的核由冰組成,所以直徑只要大於400 km左右(約地球的3%),就能經重力弛緩達致平衡。[48]截至2015年1月,可能為矮行星的海王星外天體共有約150個,但這些天體的直徑數值大部份都只是粗略的估值。[12]布朗的團隊正在研究其中的三十幾個,並相信凱伯帶的矮行星數目最終會達到200左右,凱伯帶以外則還有成千上萬個。[48]

IAU自從2008年起只確認了五顆矮行星:穀神星、冥王星、鬩神星、妊神星和鳥神星。[51]穀神星和冥王星已通過直接觀測確認為矮行星。[52]鬩神星由於質量比冥王星高而被列為矮行星(但新視野號的測量數據顯示,冥王星的直徑比鬩神星稍大),妊神星和鳥神星則是因絕對星等高而被納入。[10][39]以離太陽的相對距離排列,它們分別為:

  1. 穀神星穀神星:1801年1月1日發現,比海王星的發現早45年。近半個世紀都被視為行星之一,直到最後被重新歸為小行星。自2006年9月13日起由IAU確認為矮行星。
  2. 冥王星冥王星:1930年2月18日發現。其後76年被視為行星,直到2006年8月24日由IAU重新歸為矮行星。
  3. 妊神星:2004年12月28日發現。2008年9月17日由IAU確認為矮行星。
  4. 鳥神星:2005年3月31日發現。2008年7月11日由IAU確認為矮行星。
  5. 鬩神星鬩神星:2005年1月5日發現。當時的媒體曾稱之為「第十行星」。2006年9月13日由IAU確認為矮行星。

布朗又列出六顆「幾乎肯定」為矮行星的海王星外天體,直徑均大於900公里。它們分別是:

  1. 亡神星:2004年2月17日發現。
  2. 2002 MS4:2002年6月18日發現。
  3. 潫神星:2004年9月22日發現。
  4. 創神星:2002年6月5日發現。
  5. 2007 OR10:2007年7月17日發現。
  6. 塞德娜:2003年11月14日發現。

貢薩洛·坦克雷迪(Gonzalo Tancredi)等人已建議IAU接受亡神星、塞德娜和創神星為矮行星。另外,坦克雷迪還把小行星20000伐羅那、小行星28978伊克西翁、2003 AZ842004 GV92002 AW197歸為矮行星。[52]布朗也列入了這些天體,並判斷為「非常可能」。

經IAU確認的矮行星
軌道屬性[53]
名稱 所在區域 軌道半徑
AU
公轉週期
(年)
平均公轉速率(km/s) 軌道傾角 軌道離心率 行星判別係數
穀神星 小行星帶 2.77 4.60 17.882 10.59° 0.079 0.33
冥王星 凱伯帶冥族小天體,與海王星呈2:3共振) 39.48 248.09 4.666 17.14° 0.249 0.077
妊神星 凱伯帶(與海王星呈12:7共振) 43.13 283.28 28.22° 0.195 0.020
鳥神星 凱伯帶(傳統凱伯帶天體 45.79 309.9 4.419 28.96° 0.159 0.02
鬩神星 離散盤 67.67 557 3.436 44.19° 0.442 0.10
物理屬性
名稱 直徑
(相對月球
直徑
(km)
質量
(相對月球)
質量
(×1021 kg)
密度
(g/cm3
表面重力
m/s2
逃逸速度
(km/s)
轉軸傾角 自轉週期
(天)
衛星 表面溫度
K
大氣層 H
穀神星 27% 938 1.3% 0.94 2.17 0.29 0.51 ≈ 3° 0.38 0 167 3.3
冥王星 68% 2,372±2 17.8% 13.05 1.87 0.58 1.2 119.59° −6.39 5 44 季節性存在 −0.8
妊神星 ≈ 36% 1,240+69
−58
5.5% 4.01±0.04 2.6–3.3 (?) 0.44 0.84 0.16 2 32±3  ? 0.1
鳥神星 41% 1,430±14  ?  ? > 1.4[54]  ? 0.32 0 ≈ 30 [55] −0.3
鬩神星 67% 2,326±12 22.7% 16.7 2.5 ≈ 0.8 1.3 ≈ 1 (0.75–1.4) 1 ≈ 42 季節性存在? −1.2
其他由布朗和坦克雷迪列出的矮行星
軌道屬性[53]
名稱 所在區域 軌道半徑(AU 公轉週期
(年)
平均軌道速度
(km/s)
軌道傾角 軌道離心率 行星判別係數
亡神星 凱伯帶冥族小天體 39.17 245.18 20.57° 0.227 0.003
2002 MS4 凱伯帶(傳統凱伯帶天體)? 41.931 271.53 17.693° 0.14135
潫神星 凱伯帶(傳統凱伯帶天體)? 42.1889 274.03 23.9396° 0.10312
創神星 凱伯帶(傳統凱伯帶天體 43.405 285.97 8.00° 0.039 0.007–0.010
2007 OR10 離散盤(與海王星呈10:3共振?) 67.21 550.98 30.70° 0.500  ?
塞德娜 獨立天體 518.57 ≈ 11,400 11.93° 0.853 < 0.07
物理屬性
名稱 直徑
(相對月球
直徑
(km)
質量
(相對月球)
質量
(×1021 kg)
密度
(g/cm3
表面重力
m/s2
逃逸速度
(km/s)
轉軸傾角 自轉週期
(天)
衛星 表面溫度
K
大氣層 H
亡神星 26% 917±25 0.9% 0.63 0.55 1 < 44 2.2
2002 MS4 ≈ 27% 934±47  ?  ? 0 ≈ 43 3.7
潫神星 ≈ 25% 854±45 0.6% 0.45 1.16+0.59
−0.36
0.25 1 4.0
創神星 32% 1,110±5 1.8–2.0% 1.4±0.1 0.74 1 ≈ 43 2.4
2007 OR10 ≈ 37% 1,280±210  ?  ? 0 2.0
塞德娜 ≈ 30% 995±80 ≈ 1.4% ≈ 1 0.42 0 ≈ 12 1.5

灶神星是在小行星帶中繼穀神星後最大的天體,其形狀接近球體。在灶神星冷卻固化後經撞擊產生的雷亞希爾維亞盆地維納尼亞盆地是它最大的不規則處,[56]沿著其三條軸線上的直徑也不符合流體靜力學平衡。[57][58]科學界認為海衛一在被海王星捕獲之前,曾經是一顆矮行星。[59]土衛九也是一顆被捕獲的天體,雖然目前不處於流體靜力學平衡,但在其發展早期可能曾經處於平衡狀態。[60]

擁有行星級質量的衛星[编辑]

太陽系中共有19顆衛星有足夠的質量能自身弛緩成類球體形,其中7顆的質量比鬩神星和冥王星都要大。雖然它們在物理屬性上與矮行星無異,但因為它們不直接環繞太陽公轉而不能被列為矮行星。英文名詞planemo(擁有行星級質量的天體)囊括了這些大衛星、所有矮行星和行星。[61]斯特恩把它們稱作「衛星行星」。[62]

IAU行星定義的一份決議案草案中,冥王星和冥衛一被視為組成雙行星系統的兩顆矮行星,因為兩者都符合矮行星的質量和形狀標準,而且它們繞著一個位於冥王星表面以外的共同質心公轉。[63][16]IAU目前表示,冥衛一不算做矮行星,而只是冥王星的衛星之一。冥衛一是否符合矮行星標準的問題,會留待日後考慮。[64]質心的位置不但取決於公轉天體的相對質量,還要看兩者的距離。例如,太陽﹣木星的質心就位於太陽的表面以外。

爭議[编辑]

IAU在定義矮行星之後,一些科學家發聲對此決議案表示反對。[7]表示方法包括汽車保險杠貼紙和T恤等。[65]鬩神星的發現者米高·E·布朗認同把行星數目降至八的做法。[66]

美國太空總署宣佈將會採用IAU所設下的新指引。[67]不過,冥王星探測飛船新視野號的任務總監阿蘭·斯特恩卻反對IAU對行星的新定義。他認為,不應該把非行星天體稱為矮行星,也不應該用軌道屬性(而非內在屬性)來定義一種天體。[68]所以,時至2011年,他仍然把冥王星稱作行星,[69]並把穀神星、鬩神星等矮行星以及較大的衛星都當做額外的行星。[62]在IAU重新定義行星的幾年前,他曾用軌道屬性區分「高等行星」(überplanet,即八大行星)和「低等行星」(unterplanet,即矮行星),並把兩者都視為行星。[43]

參見[编辑]

備註[编辑]

參考資料[编辑]

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外部鏈接[编辑]