Kosmologie - Astronomie.

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Kosmologie - Astronomie.
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EINLEITUNG

Kosmologie, die Wissenschaft über den Ursprung des Universums, einschließlich seiner Entwicklung sowie seiner umfangreichen Struktur als einheitliches Ganzes. In der
Kosmologie versucht man anhand von Modellen z. B. die Geometrie des Weltraums und die Verteilung der Materie in ihm zu beschreiben. Eine wichtige Kernfrage der
Kosmologie ist beispielsweise die Frage, ob das Universum einen zeitlichen Anfang und (oder) ein zeitliches Ende hat, oder ob es sogar zeitlich unendlich ist. Um derartige
Fragen zu beantworten nutzt man in der Kosmologie u. a. die Erkenntnisse aus Astronomie, Physik sowie anderer wissenschaftlicher Disziplinen, wie z. B. der Philosophie.
Im Gegensatz zur Kosmologie untersucht die Kosmogonie die Entstehung und Entwicklung der Himmelskörper und der astronomischen Systeme (z. B. Sonnensystem).

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WELTBILDER

Die ältesten überlieferten Vorstellungen über die Welt stammen aus Mesopotamien aus der Zeit etwa 4000 v. Chr. Erst viel später, z. B. in Griechenland um 600 v. Chr.,
versuchte man das Mythische aus diesen Theorien gegen Rationelleres zu ersetzen. Eine Theorie ging davon aus, dass die Erde das Zentrum des Universums sei und die
anderen Himmelskörper sich um die Erde bewegen (geozentrisches Weltbild). Die nächtliche Bewegung der Sterne am Himmel wurde z. B. von Aristoteles und Ptolemäus
damit erklärt, dass diese an sich drehenden Kristallkugeln befestigt wären. Aristarchos von Samos stellte 270 v. Chr. die Behauptung auf, dass die Erde sich um die Sonne
dreht. Vermutlich blieb jedoch aufgrund des Ansehens von Aristoteles das geozentrische Weltbild über lange Zeit mehr oder weniger unangefochten.
Im Jahr 1543 veröffentlichte Nikolaus Kopernikus sein Lebenswerk De Revolutionibus Orbium Coelestium (Über die Umdrehungen der Himmelskugeln). Kopernikus fand ein
System, in dem sich die Planeten auf kreisförmigen Umlaufbahnen um die Sonne bewegten, wobei die Sonne sich im Zentrum des Universums befand. Kopernikus gilt damit
als Begründer des heliozentrischen Weltbildes. Er erkannte die Beziehung zwischen den Bewegungen der Sterne und der Drehung der Erde um ihre eigene Achse. Johannes
Kepler übernahm das kopernikanische Weltsystem und entdeckte, dass sich die Planeten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf elliptischen Bahnen bewegten, und
zwar nach drei eindeutig definierten Gesetzen. Diese sind seither als Kepler'sche Gesetze bekannt. Auch Galileo Galilei, der die Planeten mit einem Teleskop beobachtete,
wies die Theorie von Aristoteles zurück und wurde zu einem Verfechter der kopernikanischen Weltsicht. Isaac Newton wies nach, dass sich die Kepler'schen Gesetze aus den
von Newton entdeckten Gesetzen der Bewegung und der Gravitation ableiten ließen. Damit wurde deutlich, dass diese physikalischen Gesetze sowohl für den Himmel als
auch für die Erde Gültigkeit hatten - der Begriff ,,Himmelsmechanik" war geboren.

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ABSTÄNDE ZWISCHEN DEN STERNEN

Eine Vorstellung von der Größe der Abstände zwischen den Sternen vermittelte Anfang des 19. Jahrhunderts Friedrich Wilhelm Bessel. Er fand heraus, dass der in der Nähe
befindliche Stern Cygnus 61 etwa 600 000-mal so weit von der Erde entfernt ist wie die Sonne. 1917 schätzte der amerikanische Astronom Harlow Shapley den
Durchmesser der Milchstraße auf etwa 350 000 Lichtjahre. Leider berücksichtigte Shapley die Absorption des Lichts von weit entfernten Sternen durch Staubpartikel nicht.
Durch dieses Phänomen erscheinen die Himmelskörper blasser und somit weiter entfernt als sie es in Wirklichkeit sind. Der heute gültige Wert für den Durchmesser des
sichtbaren Teiles unserer Galaxie beträgt etwa 30 000 Parsec, also ungefähr 100 000 Lichtjahre (Parsec: Parallaxensekunde).
Der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort fand heraus, dass die Sonne etwa 250 Millionen Jahre benötigt, um einmal um den Mittelpunkt unserer Galaxie zu wandern.
Mit diesem Wert konnte er die Masse der Milchstraße berechnen, die etwa das Hundertmilliardenfache der Masse der Sonne beträgt.
Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts waren sich die Astronomen noch nicht im Klaren über das Wesen der Erscheinungen, die als Spiral- und elliptische Nebel bezeichnet
werden. Vor allem konnten sie nicht feststellen, ob sich diese Nebel innerhalb oder außerhalb unserer Galaxie befinden. 1924 gelang es dem amerikanischen Astronomen
Edwin Hubble in verschiedenen jener Objekte, einschließlich des berühmten Andromedanebels, einzelne Sterne auszumachen. Verschiedene dieser Sterne waren so
genannte pulsierende Sterne, die als Cepheiden bezeichnet werden. Indem die Astronomen deren Pulsierdauer messen, können sie die tatsächliche Helligkeit der Sterne
bestimmen. Hubble verglich die sichtbare Helligkeit dieser Cepheiden mit den bekannten Helligkeitswerten benachbarter Cepheiden. Damit bewies er, dass die von ihm
untersuchten Objekte weit außerhalb der Galaxie liegen. Das bedeutete, dass die Tausenden Spiral- und elliptischen ,,Nebel" eigenständige Galaxien außerhalb der
Milchstraße sind, und jede von ihnen Hunderte Milliarden Sterne enthält. Hubble schätzte die Entfernung zur Andromedagalaxie auf 900 000 Lichtjahre. Als Astronomen
später entdeckten, dass die Cepheiden weiter entfernt waren als zunächst angenommen, korrigierte man den Wert auf 2,2 Millionen Lichtjahre.

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DAS HUBBLE'SCHE GESETZ

Der amerikanische Astronom Vesto M. Slipher untersuchte Spektren von Galaxien. Bereits 1912 stellte er fest, dass z. B. die Spektrallinien der Andromedagalaxie im
Vergleich zu den Linien nahe gelegener Galaxien zu größeren (roten) Wellenlängen hin verschoben waren (siehe Rotverschiebung). Diese Verschiebung wird durch den
optischen Doppler-Effekt verursacht (Siehe auch Doppler-Effekt). Sie ist ein Zeichen dafür, dass die meisten Galaxien sich von der Milchstraße entfernten. Die
Rotverschiebung ist umso größer, je weiter entfernt eine Galaxie ist.
1929 verglich Hubble die von ihm für verschiedene Galaxien geschätzten Entfernungen mit den von Slipher bestimmten Rotverschiebungen für die jeweiligen Galaxien.
Dabei erkannte er, dass die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien mit zunehmender Entfernung wuchs. Diesen wichtigen Zusammenhang nennt man das Gesetz von den
Rotverschiebungen, oder Hubble'sches Gesetz. Es besagt, dass die Fluchtgeschwindigkeit v einer Galaxie sich proportional zu ihrer Entfernung r verhält. Das Verhältnis der
Fluchtgeschwindigkeit einer Galaxie zu ihrer Entfernung bezeichnen Astrophysiker als Hubble-Konstante H0(siehe Hubble-Effekt). Sie wird nach jüngsten Erkenntnissen auf
etwa 72 Kilometer pro Sekunde je Megaparsec geschätzt (ein Megaparsec entspricht einer Million Parsec): H0 = v/r.
Da es den Anschein hat, dass sich Galaxien in alle Richtungen von der Milchstraße wegbewegen, könnte man denken, dass die Milchstraße der Mittelpunkt des Universums
ist. Dies ist allerdings nicht der Fall. Man muss sich einen Ballon vorstellen, auf dem gleichmäßig verteilte Punkte gemalt sind. Wird der Ballon aufgeblasen, kann der
Beobachter eines bestimmten Punktes sehen, dass sich alle anderen Punkte von diesem einen wegbewegen. Genauso sehen Beobachter, dass sich alle Galaxien von der
Milchstraße entfernen. Dieses Gleichnis liefert gleichzeitig eine einfache Erklärung für das Hubble'sche Gesetz. Das Universum dehnt sich im Prinzip wie ein Ballon aus.

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STATISCHE UND EXPANSIONSMODELLE DES UNIVERSUMS

1917 legte Albert Einstein ein Modell von Raum und Zeit vor, das sich auf seine allgemeine Relativitätstheorie gründete. Er sah die Zeit als eine vierte Dimension an und
zeigte, dass die Gravitation mit einer Krümmung des daraus resultierenden vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuums gleichzusetzen ist. Aus seiner Theorie ließ sich die
Schlussfolgerung ziehen, dass das Universum sich ausdehnt oder zusammenzieht. Zum damaligen Zeitpunkt hatte man die Ausdehnung des Universums noch nicht näher
untersucht. Einstein ging von einer Abstoßungskraft zwischen den Galaxien aus, die der Gravitationskraft entgegenwirkte. Seine Gleichungen enthielten eine ,,kosmologische
Konstante" (?), um das Modell eines stationären Universums zu erhalten. Damit beschrieb er ein Universum, das sich statisch entwickelte. Später bezeichnete Einstein das
als ,,den größten Fehler meines Lebens", denn spätere Untersuchungen und Überlegungen zeigten die dynamische Entwicklung des Universums.
Dynamische Modelle des Universums wurden 1917 vom niederländischen Astronomen Willem de Sitter, 1922 vom russischen Mathematiker Alexander Friedmann und 1927
vom belgischen Astronomen Georges Lemaître entwickelt. Mit seinem Modell erklärte de Sitter, die Einstein'schen Relativitätsgleichungen seien für ein leeres Universum
gültig, so dass Gravitationskräfte unberücksichtigt bleiben konnten. Friedmanns Lösung hing unmittelbar von der Dichte der Materie im Universum ab und ist das

gegenwärtig gültige Modell des Universums.
Auch Lemaître erarbeitete eine Lösung für Einsteins Gleichung. Bekannter aber ist seine These vom ,,Primitivatom". Er stellte die Behauptung auf, dass die Galaxien
Bruchstücke dieses Atoms wären, die bei dessen Explosion weggeschleudert worden sind, was zur Ausdehnung des Universums führte. Das war der Ausgangspunkt für die
Theorie vom Urknall (englisch: Big Bang Theory) als Ursprung des Universums.
Die Geschicke des Friedmann'schen Universums werden von der durchschnittlichen Dichte der Materie im Universum bestimmt. Grundsätzlich werden derzeit drei
Möglichkeiten diskutiert:
(1) Enthält es nur verhältnismäßig wenig Materie, verlangsamt die gegenseitige Anziehungskraft der Galaxien die Fluchtgeschwindigkeiten nur geringfügig und das
Universum wird sich immer weiter ausdehnen. Ergebnis dessen wäre ein so genanntes offenes Universum mit einer unendlichen Ausdehnung (der Raum ist negativ
gekrümmt).
(2) Liegt die Dichte der Materie jedoch über einem kritischen Wert, der gegenwärtig auf 5×10 -30 Gramm pro Kubikzentimeter geschätzt wird, verlangsamt sich die
Ausdehnung, d. h. die Gravitationskräfte der Materie sind stark genug um die Expansion so abzubremsen, dass sie zum Halten kommt. Anschließend wandelt sie sich in eine
Kontraktion, die mit dem kompletten Zusammenbruch des Universums endet. Dann handelt es sich um ein ,,geschlossenes" Universum mit einer endlichen Ausdehnung (der
Raum ist positiv gekrümmt).
(3) Entspricht die Dichte der Materie exakt dem kritischen Wert 5×10-30 Gramm pro Kubikzentimeter, so liegt ein Sonderfall vor: Zwar expandiert das Universum für immer,
aber es nähert sich einem statischen Zustand an - man erhält ein ebenes Universum. Der Raum ist in diesem Fall flach und besitzt unendliche Größe.

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DAS ALTER DES UNIVERSUMS

Wenn die aktuelle Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums bekannt ist, kann dessen Alter geschätzt werden. Dazu bestimmt man die Zeitdauer, die es benötigt, um
seine derzeitige Größe zu erreichen. Das wird allerdings ein maximaler Wert sein, da die gegenwärtige Ausdehnung bereits durch die gegenseitige Gravitationskraft der
Galaxien verlangsamt worden ist. Bei den ersten Berechnungen des Alters des Universums kam man auf nur zwei Milliarden Jahre. Das war deutlich weniger als das mit fünf
Milliarden Jahren bestimmte Alter der Erde, das aus den großen Mengen bestimmter radioaktiver Isotope und deren Zerfallsprodukten in Felsen abgeleitet worden ist ( siehe
Verfahren zur Altersbestimmung). Spätere Korrekturen auf der Entfernungsskala haben diesen Widerspruch aus dem Weg geräumt. So fand man z. B. heraus, dass es zwei
Typen von Cepheiden mit unterschiedlicher tatsächlicher Helligkeit gibt. Wegen dieser Unklarheit unterschätzte Hubble die Entfernung zur Andromedagalaxie. Verschiedene
Schätzungen des Alters des Universums reichen von sieben bis 20 Milliarden Jahren und stehen somit nicht im Widerspruch zum Alter der Erde. Allerdings gibt es bei einigen
Schätzungen Unstimmigkeiten hinsichtlich des berechneten Alters von astronomischen Objekten, wie z. B. Sternenhaufen.
Im August 1997 entdeckten niederländische und amerikanische Astronomen eine bis dahin unbekannte, schätzungsweise 13 Milliarden Jahre alte Galaxie. Sie ist älter und
weiter von der Erde entfernt als alle bislang bekannten Sternensysteme. Erste Hinweise erhielten die Forscher anhand einer Aufnahme, die vom Hubble-Weltraumteleskop
zur Erde übertragen worden war. Mit Hilfe eines der Keck-Teleskope (Mauna-Kea-Observatorium) konnten die Wissenschaftler das Objekt am Himmel ausmachen und
genügend Licht von dieser Galaxie einfangen, um anhand einer Spektralanalyse ihr Alter zu bestimmen. In den meisten anderen Fällen war es nicht gelungen genügend
Licht einzufangen, um eine exakte Altersbestimmung vorzunehmen. Mit mindestens 13 Milliarden Jahren liegt das Alter der ,,neuen" Galaxie etwa in dem Zeitbereich, den
man für das Alter des Universums schätzte. Nach jüngsten Erkenntnissen favorisieren Experten den Wert 13,7 Milliarden Jahre für das Alter des Universums.

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DIE THEORIE DES STATIONÄREN KOSMOS

1948 legten die britischen Astronomen Hermann Bondi, Thomas Gold und Fred Hoyle ein ganz anderes Modell des Universums vor, das als Theorie des stationären Kosmos
bekannt ist. Sie hielten die Idee von einem plötzlichen Beginn des Universums für philosophisch unhaltbar. Ihr Modell wurde aus einer Erweiterung des ,,kosmologischen
Prinzips" abgeleitet, das von vorangegangenen Theorien, u. a. dem Friedmann'schen Modell, gestützt wird. In seiner ursprünglichen, eingeschränkten Form besagte dieses
Prinzip, dass das Universum überall, von jeder Stelle aus gesehen, gleich zu sein scheint. Das ,,perfekte kosmologische Prinzip" von Bondi, Gold und Hoyle fügte den Zusatz
hinzu, dass es zu allen Zeiten gleich aussieht. Sie unterbreiteten die These, dass die durch seine Ausdehnung verursachte Verringerung der Dichte des Universums durch
das ständige Entstehen neuer Materie ausgeglichen wird. Diese verdichtet sich zu Galaxien, die den Platz der Galaxien einnehmen, die sich von der Milchstraße entfernt
haben, wodurch das gegenwärtige Erscheinungsbild des Universums immer gleich bleibt. Die Theorie des stationären Kosmos wird, zumindest in dieser Form, von den
Kosmologen nicht mehr aufrechterhalten, insbesondere nach der offenbar widersprüchlichen Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung 1965.
Auch die Entdeckung der Quasare lieferte Belege, die im Widerspruch zur Theorie des stationären Kosmos standen. Quasare sind sehr kleine, aber hell leuchtende
außergalaktische Systeme, die nur in sehr großer Entfernung zu finden sind. Es dauerte mehrere Milliarden Jahre, ehe ihr Licht die Erde erreichte. Daraus folgt, dass
Quasare Objekte aus ferner Vergangenheit sind, was darauf hindeutet, dass das Universum vor einigen Milliarden Jahren ganz anders aufgebaut war, als das heute der Fall
ist.

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DIE THEORIE VOM URKNALL

1948 modifizierte der amerikanische Physiker russischer Herkunft George Gamow die Theorie Lemaîtres vom Primitivatom. Er ging davon aus, dass das Universum während
einer gewaltigen Explosion entstand, und dass die verschiedenen, heute sichtbaren Bestandteile innerhalb der ersten Minuten nach dem Urknall entstanden, als die extrem
hohe Temperatur und Dichte des Universums zum Verschmelzen subatomarer Partikel zu chemischen Elementen führte. Aktuellere Überlegungen beinhalten, dass
Wasserstoff und Helium die ersten Produkte des Urknalls gewesen sein müssten, und schwerere Elemente erst später, in den Sternen, entstanden. Jedoch bildete die
Gamow'sche Theorie eine Grundlage für das Verständnis der ersten Entwicklungsstufen des Universums und seiner späteren Entwicklung. Aufgrund der extrem hohen
Dichte, über die die in den ersten Momenten des Universums existierende Materie verfügte, dürfte sich das Universum schnell ausgebreitet haben. Dabei kühlten sich
Wasserstoff und Helium ab und verdichteten sich zu Sternen und Galaxien. Daraus erklärt sich die Ausdehnung des Universums und die physikalische Grundlage für das
Hubble'sche Gesetz.
Während der Ausdehnung des Universums wird sich die Reststrahlung des Urknalls weiter abgekühlt haben, bis sie jetzt bei einer Temperatur von drei Kelvin (etwa -273 °C)
sein müsste. Diese Rest-Hintergrundstrahlung wurde 1965 von Radioastronomen entdeckt. Damit lieferten sie vielen Astronomen die Bestätigung für den Urknall als Beginn
des Universums.

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DIE WEITERE ENTWICKLUNG DES UNIVERSUMS

Eines der ungelösten Probleme des Ausdehnungsmodells des Universums ist die Frage, ob das Universum offen oder geschlossen ist (d. h., ob es sich für immer ausdehnt
oder irgendwann wieder zusammenzieht).
Ein Versuch, dieses Problem zu klären, besteht darin, herauszufinden, ob die mittlere Dichte der Materie im Universum größer als der kritische Wert im Friedmann'schen
Modell ist. Die Masse einer Galaxie kann gemessen werden, indem die Bewegung ihrer Sterne beobachtet wird. Schätzt man die Materiedichte des Universums, indem man
die Masse jeder Galaxie mit der Anzahl der Galaxien multipliziert, stellt man fest, dass die Dichte nur fünf bis zehn Prozent des kritischen Wertes beträgt. In ähnlicher Weise
kann die Masse eines Galaxienhaufens bestimmt werden, indem die Bewegungen der darin enthaltenen Galaxien gemessen werden. Multipliziert man diese Masse mit der

Anzahl der Galaxienhaufen, ergibt das eine viel höhere durchschnittliche Dichte, die sich dem kritischen Wert nähert, der Ausdruck dafür ist, dass das Universum
geschlossen ist. Die Diskrepanz zwischen diesen beiden Methoden lässt Schlüsse auf die Existenz von beträchtlichen Mengen unsichtbarer Materie zu, der so genannten
Dunklen Materie, die sich innerhalb jedes Haufens, aber außerhalb der sichtbaren Galaxien befindet. Solange es für das Phänomen der fehlenden Masse keine Erklärung
gibt, wird diese Methode der Bestimmung des Schicksals des Universums ohne Beweiskraft sein.
Da das Licht von den am weitesten entfernten Galaxien mehrere Milliarden Jahre bis zur Erde brauchte, kann man das Universum so sehen, wie es in ferner Vergangenheit
aussah. Mit neuen Infrarotdetektoren, die man großformatige Anordnungen nennt, haben Astronomen im hochgelegenen Mauna-Kea-Observatorium hunderte der
schwächsten je beobachteten Galaxien entdeckt, von denen die meisten sich in sechs Milliarden Lichtjahren entfernten Haufen befinden. Ungewöhnlich bei dieser Ansicht
des Universums von vor sechs Milliarden Jahren ist, dass anstelle einer Mischung aus verschiedenen Arten von Galaxien nur eine Art vorherrschend ist, eine Klasse kleiner,
kompakter Galaxien mit weit weniger Sternen als die Milchstraße oder andere ihrer Art. Die in heutiger Zeit beobachteten jungen Spiral- und elliptischen Galaxien könnten
sich also relativ spät in der Geschichte des Universums aus der Verschmelzung galaktischer Fragmente mit niedriger Masse gebildet haben, lange nach dem Urknall.
Möglicherweise verkörpern sie eine von vielen Entwicklungsstufen des Universums.
In der Gegenwart konzentriert man sich in der theoretischen Kosmologie sehr auf die Entwicklung eines besseren Verständnisses für die Prozesse, die den Urknall gestaltet
haben müssen. Die in den achtziger Jahren formulierte Aufblähungstheorie, in die die jüngsten Fortschritte der Elementarteilchenphysik eingearbeitet wurden, klärt wichtige
Fragestellungen der ursprünglichen Gamow'schen Theorie. Solche Theorien führten auch zu solchen kühnen Spekulationen, dass das entstandene Universum entsprechend
dem Aufblähungsmodell unendlich sein könnte. Kosmologen, die die Hauptströmung vertreten, versuchen jedoch eher, Erklärungen für die dunkle Materie zu finden,
während eine Minderheit, der Auffassung des schwedischen Physikers und Nobelpreisträgers Hannes Olof Gösta Alfvén folgend, der Idee nachgeht, dass nicht nur die
Schwerkraft, sondern auch die Plasma-Phänomene den Schlüssel für das Verständnis des Aufbaus und der Entwicklung des Universums darstellen.
Viele Forscher vermuten einen Zusammenhang zwischen Sternbildung und der Zusammenballung Dunkler Materie sowie nicht leuchtender Materie. Dunkle und nicht
leuchtende Materie machen vermutlich einen hohen Anteil der Masse in den Galaxien aus. Leuchtende Materie konzentriert sich dort, wo bereits andere Materie konzentriert
ist. Die Zusammenballung von Materie - Helium, Deuterium und Wasserstoff - ließ die ersten Sterne entstehen und damit die Epoche der Galaxien beginnen. Siehe auch
Gravitationslinse
Mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops konnte man die Fluchtgeschwindigkeiten von besonders weit entfernten Supernovae bestimmen. Demzufolge scheint die
Expansionsgeschwindigkeit des Universums sich nicht zu verlangsamen, sondern zu beschleunigen. Die Ursache ist unbekannt und lässt sich mit den bislang bekannten
Energieformen nicht erklären; es wurde daher hypothetisch eine unbekannte Energie, die Dunkle Energie, angenommen, die den Raum beschleunigt expandieren lässt.
Siehe auch Astronomie; Astrophysik; Weltraumforschung; interstellare Materie
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