星系是「群居動物」 未來能否找到雙黑洞系統?

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摘要

  來源:墨子沙龍  黑洞面對的是極端的世界,它是科學上已知宇宙中最極端的事物。黑洞中有非常大的東西,也有非常微小的東西,物體以光速運動,時間會停頓,科學中很難想像還會有其他物體比黑洞更神秘和有趣。當然不止在科學中,在大眾文化中也是,黑洞引起了好萊塢的想像,拍了很多相關的電影,《星際穿越》眾所周知,還有《視界》和至少另兩部法語電影,所以從科幻本身來講,黑洞確實滲透到大眾文化中了。黑洞當然也激發了大眾的想像,但也產生了很多誤解,很多人以為黑洞很危險,「小心黑洞,因為它會把任何東西吸進去,包括你」,其實不是這樣的,黑洞自己不會把你吸進去,比如要通過相互碰撞、損失角動量才能掉入黑洞。

來源:墨子沙龍

黑洞面對的是極端的世界,它是科學上已知宇宙中最極端的事物。黑洞中有非常大的東西,也有非常微小的東西,物體以光速運動,時間會停頓,科學中很難想像還會有其他物體比黑洞更神秘和有趣。當然不止在科學中,在大眾文化中也是,黑洞引起了好萊塢的想像,拍了很多相關的電影,《星際穿越》眾所周知,還有《視界》和至少另兩部法語電影,所以從科幻本身來講,黑洞確實滲透到大眾文化中了。黑洞當然也激發了大眾的想像,但也產生了很多誤解,很多人以為黑洞很危險,「小心黑洞,因為它會把任何東西吸進去,包括你」,其實不是這樣的,黑洞自己不會把你吸進去,比如要通過相互碰撞、損失角動量才能掉入黑洞。

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黑洞漫畫

從物理的角度,黑洞其實是非常簡單的物體,愛因斯坦告訴世人許多東西,其中他的一個公式人盡皆知,E = mc^2,僅僅通過光速這個常量,就可以將質量和能量相互轉化,光速是300000 千米/秒,沒有東西可以超過光速,愛因斯坦還告訴我們質量可以彎曲時空,像地球這麼大的不太重物體只輕微地彎曲時空,但是當物體質量增加或者越來越緊密,越來越大,時空將扭曲得越厲害,如果一直這樣會發生什麼呢?如果一直讓物體變大或者縮小會怎樣呢?

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黑洞漫畫2

200到250年前,兩個名人已經考慮過這個問題,他們問了這樣的問題,假如恆星的質量如此之大或如此緻密以致逃逸速度超過光速,會發生什麼現象?那時他們不知道光速不能超過300000千米/秒,大家能想像會發生什麼嗎?其實非常簡單,以地球為例,如果用某種機器把它壓縮到花生米那麼大——9毫米,它就成為一個黑洞了,如果將太陽壓縮到3千米,也可以成為黑洞,3千米也就是上海的任意一個街道的大小,所以其實這就是形成黑洞所需要做的事。

我們知道自然界有兩種黑洞,第一種很簡單,是恆星正常演化的產物,像太陽這樣的恆星通過上邊這個方式演化,恆星變成紅巨星後最終變成白矮星終結生命。但如果恆星質量超過太陽質量的10倍甚至20、30、50、100倍,那麼它們大多以中子星的形式終結,自轉非常快的中子星又叫脈衝星,但是如果恆星質量超過25或者30個太陽質量,它將以黑洞形式終結。

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我們是通過X射線天文學得知這些天體的存在。1960年代第一顆衛星發射時,人們發現一種叫做X射線雙星的現象,X射線雙星起源於恆星級別黑洞對物質的吸積,由於物質落入黑洞的引力勢阱,天體會變得極熱並發出X射線波段的輻射。然而,存在一個基本的問題,我們如何才能知道這些天體是黑洞?黑洞的定義是什麼?由於即使光也不能逃逸出黑洞視界,我們還不能直接測量黑洞視界的裡面。

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除此之外,天文學家可以做的最好的就是測量天體的質量,測量它多重,並且證明天體沒有發出輻射、是黑暗的。測量天體質量的方法在天文學上其實很簡單,就是用我們熟悉的牛頓定律。在太陽系中我們非常熟悉,假設不知道太陽的質量並且你第一次做實驗,你該如何確定太陽的質量呢?測一下圍繞太陽轉動的行星軌道就可以了。我們都知道地球繞太陽一圈需要一年,水星離太陽更近,每3個月旋轉一周,木星離得更遠,需要12年繞一周,所以如果瞭解行星軌道,知道位置和速度的徑向方程,就可以利用中學學到的著名的、簡單的牛頓公式算出太陽的質量,不需要對發光的太陽本身有瞭解。

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黑洞漫畫3

假如太陽突然變成黑暗,關掉光的開關,把它變成個黑洞,而行星的軌道不會變,軌道不會依賴太陽的輻射,僅僅和引力有關,這才是關鍵。需要測量天體的速度和離中心的距離,但是天文上如何測量速度呢?其實也很簡單,天文學是很簡單的學科,我們都知道多普勒效應,假如在街上一輛救火車或救護車經過,可以聽到警笛的音調發生變化,一輛車先靠近然後離開你,因為這是聲波的性質,波源靠近時波長壓縮,遠離時波長伸長,變成頻率不同的音調。眾所周知光也是一種波,光波和聲波行為方式一樣,只不過是不同類型的波,有無線電波、人眼可見的可見光波,也有特殊的波,像X射線和戴教授討論過的伽馬射線,這些都是波。怎樣測量天體的速度和方向呢,測量波長就可以。

如果站立不動波源向你靠近的話,光波波長會被壓縮,波長變短,我們稱作藍移。如果波源快速遠離你,光波波長就會伸長,發生紅移。我們測量波長移動就可以,但是相對於什麼的移動呢,需要找一個靜止的參照物,幸運的是我們知道怎樣在實驗室找到參照。

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自然界有不同的原子,不同的原子受激會發出特定頻率或波長的光。比如,街燈中的鈉發出黃光,氖燈發出紅光因為氖的主躍遷線在紅光區域,這是氫原子的特殊的指紋,就好像你的DNA和你自己手上的指紋,氦作為宇宙中含量第二多的元素也有自己的指紋,從太陽光譜中可以直接看出來,讓陽光經過稜鏡,可以看到一模一樣的光譜線圖案,因為太陽主要由氫和氦組成,還有其他元素,這就是關鍵。

觀察光譜與實驗室數據對比的相對移動,這是太陽沒有移動時的光譜,光譜圖案我們非常熟悉,讓它遠離我們產生紅移,整個圖案向紅色那端移動,如果太陽向我們移動,所有線向藍色那端移動,所以將星光用稜鏡或攝譜儀色散,就可以測量天體移動的方向和速度,其實非常非常簡單。

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我說過天文學家1960年代發現了X射線雙星,這是最初的恆星級別黑洞的壯觀觀測,發生在天鵝座X-1的X射線雙星,叫天鵝座X-1是因為天鵝座的明亮伴星,X代表X射線,是第一個X射線源,測量看不到黑洞本身,但可以看到黑洞繞伴星旋轉的引力效應。伴星的運動有輕微的擺動,因為兩個天體繞相同的質心旋轉,這裡伴星的週期是5.6天,小於一周,可以算出黑暗的看不見的那顆伴星有10倍太陽質量,那很可能是黑洞,但這不是我想在這個演講中討論的黑洞。

我想討論超大質量黑洞,不是10倍太陽質量,而是100萬倍、100億倍太陽質量,他們是位於大星系中心的天體。這個很漂亮的星系叫草帽(Sombrero)星系,位於南半球,Sombrero在西班牙語中是帽子的意思,這是一頂墨西哥草帽,這個「墨西哥草帽星系」,正好有一個10億太陽質量的黑洞,科學家當初怎麼想到超大質量黑洞這個奇怪概念的?這是一個很不自然的想法,其實這個理論已經50年了。

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早在1960年代初期,當天文學家發現一類叫類星體的天體時(類星體是宇宙中能量最高的天體之一),人們想到的解釋類星體能量源的唯一方法是,物質被吸積到一個非常重的天體上,人們推測這個天體可能是超大質量黑洞。不僅僅是類星體,天文學家在1960年代還發現了一種令人驚奇的天體-射電星系,這是非常壯觀的天體。

大家現在看到的是無線電波段的輻射,它非常巨大,從一端到另一端大約1百萬光年,這些輻射是高速高能粒子產生的,這些粒子是星系中心的某種神秘天體噴射出的,速度接近光速,這是非常相對論性的噴射,而且持續時間已經很久。可以看到噴出的氣體軌跡非常直,所以無論噴射的是什麼東西,這個天體都是極穩定的陀螺儀,而且不改變方向,很可能質量極大,看起來非常壯觀。

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還有另一個例子,星系本身在中間,那些是恆星,這些是超快粒子在磁場中產生的無線電波。還有另一個例子,還有一些更普通的星系,不像這些蔚為壯觀的星系,更普通的星系中心也是「活躍」的,乘坐活躍星系核,解釋活躍星系核的能量來源的最流行的理論,也是來自超大黑洞引力勢阱內對物質的吸積。

這是怎麼發生的呢?當物質落入星系中心時,將物質的引力勢能轉化為動能,由於摩擦,當物質被吸引入時相互摩擦,就像你揉搓雙手一樣,會產生熱量,不同的就是這種摩擦以接近光速在所謂的吸積盤內進行,這個過程產生巨大的能量。我們通過光學波段、無線波段、X射線波段和伽馬波段可以看到,這就是1960年代已經建立的理論。

怎樣找到這些天體呢,下面我一步步講述天文學家怎樣通過觀測確定超大質量黑洞的存在。從銀河系開始,武教授已經展示過這張銀河系的動畫圖,這是在銀河系上方向下看時的視圖。大家已經知道我們所在的太陽系在銀河系的外圍,事實上由於我們在這樣一個很不方便的位置,想要看到星系中心其實非常麻煩,視線幾乎被沿途的星際塵埃完全擋住。

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這裡的尺度從一端到另一端是10萬光年,如果用到紅外的更長波長的波段,可以穿透塵埃,如果拍一張天空同樣位置的紅外圖像,就像這樣子,好多了,更加透明了,如果把中心放大10萬倍,整個圖片尺度是10萬光年,現在放大到只有中心1光年的尺度,使用目前最先進的設備,所謂的紅外波段自適應光學儀器,這就是銀河系中心的高分辨圖像,來自美國和德國的兩個團隊的天文學家在過去的15到20年,耐心地拍下這些圖片,夜復一夜地拍了10年,15年,20年。

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事實上可以看到恆星的運動,因為如果中心有黑洞的話它們應該運動,就像行星繞太陽運動一樣,這就是我們天文學家所做的工作。可以看到中心非常靠近這個黑暗天體的周邊區域的恆星,一年年地來回運動,黃色的恆星沿著黃色的橢圓軌跡繞中心以2000千米/秒的速度運動,地球繞太陽的速度是33千米/秒,而這裡是2000千米/秒,有一個質量非常非常大的天體在牽引這些恆星繞動,這個天體有4百萬個太陽質量那麼重,這是我們目前發現的最令人信服的案例。

但出了銀河系就再也不能這樣做這樣的觀測了,不可能,沒辦法分辨單個太弱、分佈太密集的恆星,目前還沒有設備可以分辨單個恆星。相反,我們利用恆星團的運動,還是用多普勒效應測速度和方向,通過觀察譜線圖樣的移動,然而需要在非常靠近中心的地方做這種觀測,以確保恆星受的引力是被黑洞支配的而不是其他周圍的東西,需要知道所謂的黑洞影響球的半徑,黑洞影響球基本上就是一個區域,在這裡面恆星的運動受中心天體的引力勢的支配,而不受周圍大尺度環境內的恆星支配。這需要非常高的角分辨率,這項任務由NASA發射的哈勃太空望遠鏡來完成。

哈勃望遠鏡是過去20年天體物理的革命之一,事實上哈勃望遠鏡已經運行了25年,由於在地球大氣上方,哈勃有驚人的高分辨成像能力,它採集的圖像不受造成恆星閃爍的大氣湍流的影響,閃爍的恆星非常浪漫但對科學觀測非常糟糕,因為這影響圖像分辨率,哈勃在大氣之上,所以沒有這種問題,所以哈勃一直是發現超大黑洞的重要平台。

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我們首先對我們的鄰居仙女座進行觀測,這是M31的可見光照片。下面這個小亮點是它的小朋友,叫M32。哈勃太空望遠鏡通過觀測,利用我剛說過的方法,發現仙女座有一個1億2千萬倍太陽質量的黑洞,這比銀河系的黑洞重50倍,而它的小朋友M32比銀河系的黑洞稍微輕一點,有一個250萬倍太陽質量的黑洞。

在銀河系外,我們還觀測了室女座星團,室女座星團是距離最近的大星系團,這是室女座星團裡最大的星系,叫M87,以一條壯觀的噴射帶出名,幾十年來人們都認為這條噴射帶是由於超大質量黑洞,我們用稜鏡把光線分解,見證奇跡的時刻!這個天體有旋轉的盤,以±1000千米/秒的速度進行轉動,轉動速度令人吃驚,有藍移也有紅移,遠離你的部分產生紅移,朝向你的部分產生藍移,速度都是1000千米/秒,可以算出中間的質量,有幾十億個太陽質量,而且這個天體是黑的,幾乎沒有光。 

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這是M87的朋友M84,另一個巨型橢圓星系,同樣的觀測發現這個天體也有一個壯觀的噴射帶,我認為也是超大質量黑洞引起的,再一次,分解光得到光譜,光譜的一邊藍移一邊紅移,運動讓人意想不到,運動速度驚人,得到的質量大概也是10億倍太陽質量。我們一直這樣觀測,而我們也一直發現這種天體,事實上經過10年的觀測,現在已測量到大約100個案例,並且這個現象開始變得太平凡了。現象都是相同的,所有的大質量星系都有一個神秘的黑暗天體,而我們認為是超大質量黑洞,這實際上是第一個重要突破。

在1960年代,理論物理學為了解釋類星體就已經預計到了這些可能性,而我們現在不止發現了它們,我們甚至證明它們很常見,每個星系都有。然後下面是真正的驚喜。10年前當我們把所有數據放在一起,我們發現如果在y軸畫出黑洞的質量,黑洞質量與星系質量有非常嚴格的線性關係。右邊越重的星系,黑洞的質量越大,重一些的星系有10億倍太陽質量的黑洞,像銀河系這樣的星系有400萬倍太陽質量的黑洞,它們之間呈比例。作為科學家,發現任何非常一致的線性關係都會非常興奮,因為這表明非常重要,x軸和y軸以某種方式相互關聯。

事實上讓人很吃驚,因為儘管黑洞是「超大質量「,它相比於星系還是很小的,只有星系質量的千分之一,而星系比黑洞重1000倍,所以星系絕不可能通過引力感知到黑洞,感覺事實上絕不可能這樣,但為什麼它們有線性關係呢?這一直是過去20年天文學界的謎團和令人激動的話題,最終人們討論這件事的共識是這樣的,儘管黑洞質量不是很大,但如果天體是活躍的,或者是類星體,甚至有發光、噴射氣體等極端行為,一定會對星系造成巨大損害,一定會影響星系的形成,一定會控制星系中恆星的形成速度,很小的黑洞和很大的星系之間一定有某種非常緊密的反饋,因此出現了協同進化這個概念。

這裡要展示的是兩個星系的合併,兩個星系開始合併時,合併的引力力矩驅動恆星生成所需的氣體原料,到兩個星系的中心,大部分氣體在這裡開始形成恆星,並且為黑洞的形成提供燃料,這使得系統變成類星體並釋放驚人的能量,事實上能量大到可以使星系爆炸,待會兒可以看到,這將對氣體物質造成災難性影響,進而影響星系演化,開始了,崩!星系中心會發生爆炸,導致恆星停止生成,星系死亡,實際上也造成黑洞停止生長,這就是自然界中,中心很小的黑洞影響整個星系周圍演化的機制。

但這不是簡單的計算機動畫,真實的數據中也可以看到,可以觀測到非常壯觀的無線電噴射破壞周圍的環境,用望遠鏡可以看到形成這些巨大的空洞,因此黑洞中心爆炸釋放出的能量,控制了大尺度的星系環境的演化,這是現在天體物理學家對星系形成的部分觀點。

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下面討論另一個相關的問題,如果星系越來越小會發生什麼呢,從這個圖可以看出如果星系足夠小,中心的核球足夠小,應該就沒有黑洞了,因為星系核球的大小與黑洞大小線性相關,是否在一定大小的星系就不存在黑洞了,這個問題非常非常重要。自然界形成的最小黑洞多大,我們知道恆星級黑洞是10倍太陽質量,LIGO探測到30倍太陽質量的黑洞,但是在30倍和4百萬倍之間還有巨大的空隙,有沒有1萬倍、10萬倍或100萬倍太陽質量的黑洞呢?我們當然也想知道自然界可以形成的最大質量黑洞,它們是多少重量級的,以及黑洞從小到大分別是怎麼樣的,黑洞種子怎樣演化成熟成為巨大的超大質量黑洞?

問理論學者他們會說沒問題,這些問題可以解釋,解釋超大質量黑洞需要用到最大的紅移,因為天文學家一直在宇宙最外圍發現大紅移的類星體,當宇宙只有幾億年時已經有非常亮的類星體了,這些類星體需要黑洞質量是10億、100億倍太陽質量。在大爆炸後的幾億年內,沒有時間生成這麼重的怪物,如果它們都從10倍太陽質量開始,那麼理論上存在一個很大的問題:種子黑洞是什麼?理論物理學家說不用擔心,計算機可以任意設定來自任意大的氣體中任意恆星碰撞產生的任意黑洞大小,因為宇宙早期的條件很特殊,不存在金屬,因此理論物理學家可以用計算機模擬任意質量的初代黑洞,但這也不能在未來10年20年內探測到,目前看不到有望遠鏡可以觀測到這種物體。

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讓我們回到我們熟悉的最近鄰的星系,先來看看小星系而不是大星系,如果存在小質量黑洞,它們應該在小星系內,使用可獲得的最高分辨率的圖像,將哈勃太空望遠鏡的圖像放大,放大到星系核,然後用同樣的方法,將光分解,用來探測恆星繞中心的快速運動。看看中心有什麼?謝天謝地!目前測到的紀錄是1萬個太陽質量,一些是10萬倍太陽質量,還有很多是百萬倍太陽質量,這是大約10年內的結果。有時把這些天體稱作中等質量黑洞以便和超大質量黑洞區分,無論叫什麼,這是目前種子黑洞的最好證據。

這些種子黑洞成長為驅動類星體的超大質量黑洞。我要給出的結論就是,就像人類,像場內的在做各位,星系也喜歡朋友,也是群居「動物」,因為引力總是將它們拉到一起,好比城市裡的人不喜歡生活在深山或荒漠,它們也和人類一樣相互吸引。這不是模擬,而是有真實數據,星系會找朋友,就像男朋友找女朋友,女朋友找男朋友,糾纏在一起,然後合併,如果星系合併,就像我剛才說的,每個星系都有黑洞,星系中心的黑洞也會合併,對嗎?這難道不是很迷人的現象嗎?能否找到這種雙黑洞系統?能否找到超大質量黑洞的合併事件?

我說的不是LIGO探測到的哪種,LIGO探測的是恆星量級的黑洞,上個月Kip Thorne和他的同事在講座中討論了30個太陽質量的黑洞合併事件,而這些是10萬、100萬甚至十億倍太陽質量的黑洞,怎樣找到它們呢?我們預測信號不是LIGO探測到的那種高頻信號,應該是頻率非常低的信號,信號週期不是秒的量級,而是年的量級,應該也產生引力波,我認為這個重大突破,在座的各位可能有希望在不久的將來看到,或許5到10年。我當然希望諾貝爾獎評委會也會認為這個發現有價值,這件事將會非常非常激動人心,將會有很豐富的電磁輻射現象,因為星系有大量的氣體,這是我對近期的期望,這就是我今天要分享的內容。

關於尋找和發現超大質量黑洞的所有研究,佐證了科學發現的本質,當然也說明了作為科學家的意義。我今夜所分享的內容需要幾十年的努力,耐心,創新,恆心和努力工作,需要用到最新科技的最大的望遠鏡。

星系是「群居動物」 未來能否找到雙黑洞系統?

這是威爾遜山的非常著名的兩米半口徑的望遠鏡,來中國前我在那裡工作過,埃德溫·哈勃曾用過這個望遠鏡,向世人揭示除了銀河系還有其他星系,揭示了星系之間加速遠離的事實,因此存在大爆炸。

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這是建在南加州帕洛瑪山的5米口徑的望遠鏡,就是用它在1963年發現了類星體的存在。

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這就是以埃德溫·哈勃命名的太空望遠鏡,用它獲得了我剛才所說的過去20年的所有突破。

星系是「群居動物」 未來能否找到雙黑洞系統?

這是夏威夷的10米口徑的雙胞胎望遠鏡,科學家用他們耐心地拍了20年照片來觀測天體運動,觀測恆星繞銀河系的運動來測量中心黑洞的質量。

中國今天也是非常重要的一環,中國正在歷史的交叉路口,中國已經發展到可以投資基礎科學研究的地步,甚至可以投資像大家可能說毫無實用的天體物理這種基礎研究,在以前幾乎不可能。這種改變就像我個人的人生一樣不可能,就像我是何以來到中國,今天下午可以站在大家面前。

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我50年前生於廣東順德,這是我離開故鄉之前,當初離鄉也是迫不得已,那時的條件非常困難,正值文革中期,這是我們村的鄰居們,我還記得那時很少有人可以果腹,這是今日之中國,已成為經濟大國,很快也會成為科學大國,此生得見如此轉變,難道不令人驚歎嗎?你們大多數年輕人或許不瞭解這些,而這才是你們熟知的上海,你們享受生活,但不知道我們從哪裡走來,這個變化真的翻天覆地。所以我認為我們,特別是年輕人應該思考,你們要在將來扮演什麼樣的角色。

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這個東西真的證明了中國如何快速發展,我們建造了稱作「FAST」的望遠鏡,500米口徑的世界上最大的射電望遠鏡,去年在貴州完工。中國是世界上最昂貴的天文設備的成員,中國是造價60億歐元的SKA射電望遠鏡的成員,它工作在無線電波段,SKA和FAST都將是利用脈衝星計時來探測黑洞合併產生的引力波的領先設備。中國也是30米口徑望遠鏡的成員,這是世界上三個10億美元或10億歐元級別的望遠鏡中的一個,中國參與了10%,作為一個國家,作為這個時代的人,我們都應該深入思考,應該如何好好利用這些難得的機會,我們是如此幸運,可以進一步深入推進人對宇宙的認知,對人類在宇宙中的位置的認知,以及我們我們對社會的貢獻,感謝給我機會分享我的科學故事,分享科學發現和在中國成為科學家的經歷,非常感謝。

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