{"id":356,"date":"2017-05-16T16:49:09","date_gmt":"2017-05-16T19:49:09","guid":{"rendered":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/?p=356"},"modified":"2017-06-17T05:17:52","modified_gmt":"2017-06-17T08:17:52","slug":"ondas-gravitacionais-parte-2-deteccao","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/2017\/05\/16\/ondas-gravitacionais-parte-2-deteccao\/","title":{"rendered":"Ondas gravitacionais (parte 2): Detec\u00e7\u00e3o. (V.3, N.5, 2017)"},"content":{"rendered":"<p><span style=\"font-size: 8pt\"><strong>Esta postagem \u00e9 a segunda de uma s\u00e9rie sobre ondas gravitacionais, recomendo ler a <a href=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/ondas-gravitacionais-parte-1-uma-introducao\/\">parte 1<\/a> antes de prosseguir.<\/strong><\/span><\/p>\n<p><iframe title=\"The Sound of Two Black Holes Colliding\" width=\"640\" height=\"360\" src=\"https:\/\/www.youtube.com\/embed\/QyDcTbR-kEA?feature=oembed\" frameborder=\"0\" allow=\"accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share\" referrerpolicy=\"strict-origin-when-cross-origin\" allowfullscreen><\/iframe><\/p>\n<p><span style=\"font-size: 8pt\">A onda gravitacional detectada possui frequ\u00eancias dentro do espectro aud\u00edvel para ondas sonoras. Transformando o sinal detectado em ondas sonoras, temos como resultado o som deste v\u00eddeo. (V\u00eddeo: LIGO Lab Caltech\/MIT)<\/span><\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>No dia 14 de Setembro de 2015 (09:50:45 UTC) foi realizada a primeira detec\u00e7\u00e3o direta de ondas gravitacionais, o sinal foi observado em dois observat\u00f3rios (LIGO Hanford e LIGO Livingston) e durou menos de 0.5s nos detectores.<\/p>\n<p>Estes sinais representam um sistema de dois buracos negros de 36 e 29 massas solares girando um em torno do outro at\u00e9 se fundirem em um buraco negro de 62 massas solares. O equivalente a 3 massas solares \u00e9 convertido em energia, liberada na forma de ondas gravitacionais e uma parcela extremamente pequena chega a Terra.<\/p>\n<p>Como funcionam os laborat\u00f3rios que fizeram esta detec\u00e7\u00e3o?<\/p>\n<h3 style=\"text-align: center\">Interfer\u00f4metros: O que s\u00e3o?<\/h3>\n<figure id=\"attachment_358\" aria-describedby=\"caption-attachment-358\" style=\"width: 380px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img fetchpriority=\"high\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-358 size-full\" src=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/Interferometrodemic.gif\" alt=\"\" width=\"380\" height=\"280\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-358\" class=\"wp-caption-text\">Esquema de funcionamento de um interfer\u00f4metro de Michelson.<br \/> Figura por: <a href=\"https:\/\/commons.wikimedia.org\/wiki\/File:Interferometrodemic.gif\" data-rel=\"lightbox-image-0\" data-rl_title=\"\" data-rl_caption=\"\" title=\"\">Wikimedia Commons<\/a>.<\/figcaption><\/figure>\n<p>Interfer\u00f4metros s\u00e3o instrumentos \u00f3pticos usados para detectar pequenas varia\u00e7\u00f5es em um feixe de luz. No interfer\u00f4metro (Ver figura acima) temos uma fonte de luz coerente e colimada (laser) emitindo um feixe de luz que \u00e9 divido em dois. Cada feixe caminha por um bra\u00e7o uma determinada dist\u00e2ncia at\u00e9 encontrar um espelho, fazendo o caminho inverso, ent\u00e3o esses feixes de recombinam e s\u00e3o projetados em um anteparo.<\/p>\n<p>Sabemos que a luz se comporta como onda, ent\u00e3o a recombina\u00e7\u00e3o dos feixes se da pelo <a href=\"http:\/\/www.sofisica.com.br\/conteudos\/Ondulatoria\/Ondas\/superposicao.php\">princ\u00edpio da superposi\u00e7\u00e3o<\/a>, assim podemos ter efeitos de interfer\u00eancia construtiva ou destrutiva dependendo da dist\u00e2ncia percorrida por estes feixes.<\/p>\n<figure id=\"attachment_360\" aria-describedby=\"caption-attachment-360\" style=\"width: 450px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img decoding=\"async\" class=\"wp-image-360 size-full\" src=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/365px-Interference_of_two_waves.svg_.png\" alt=\"\" width=\"450\" height=\"150\" srcset=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/365px-Interference_of_two_waves.svg_.png 450w, https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/365px-Interference_of_two_waves.svg_-300x100.png 300w\" sizes=\"(max-width: 450px) 100vw, 450px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-360\" class=\"wp-caption-text\">Interfer\u00eancia entre ondas (1 e 2), na figura da esquerda as ondas est\u00e3o em fase, logo h\u00e1 interfer\u00eancia construtiva. Na da direita, as ondas est\u00e3o fora de fase e portanto h\u00e1 interfer\u00eancia destrutiva.<br \/> Fonte: <a href=\"https:\/\/commons.wikimedia.org\/wiki\/File:Interference_of_two_waves.svg\">Wikimedia Commons<\/a><\/figcaption><\/figure>\n<p>Observando o anteparo \u00e9 poss\u00edvel obter informa\u00e7\u00f5es sobre a diferen\u00e7a entre os caminhos percorridos pelos feixes antes de se recombinarem, e a precis\u00e3o \u00e9 dada pelo comprimento de onda do feixe.<\/p>\n<p>Voc\u00ea pode imaginar uma fileira igualmente espa\u00e7ada de soldados marchando em dire\u00e7\u00e3o ao espelho central com velocidade constante, se separando em duas fileiras, marchando at\u00e9 encontrar um espelho e retornando ao espelho central. Se o caminho percorrido por cada fileira for diferente,\u00a0 n\u00e3o conseguiram se recombinar em uma \u00fanica fila de soldados, a menos que as dist\u00e2ncias sejam m\u00faltiplos de um valor espec\u00edfico (comprimento de onda).<\/p>\n<h3 style=\"text-align: center\">O experimento de Michelson-Morley<\/h3>\n<p>Um uso bastante conhecido deste aparato \u00e9 o chamado <a href=\"https:\/\/pt.wikipedia.org\/wiki\/Experi%C3%AAncia_de_Michelson-Morley\">experimento de Michelson-Morley<\/a>. Antigamente, f\u00edsicos acreditavam que todas as ondas deviam se propagar em um meio e como a luz \u00e9 uma onda tamb\u00e9m deveria ter um meio de propaga\u00e7\u00e3o, este meio foi batizado de \u00e9ter.<\/p>\n<p>Como a Terra est\u00e1 se movendo pelo \u00e9ter, deveria existir um &#8220;vento de \u00e9ter&#8221;, assim a luz se moveria em uma velocidade diferente na dire\u00e7\u00e3o do &#8220;vento de \u00e9ter&#8221; em rela\u00e7\u00e3o a dire\u00e7\u00e3o perpendicular.<\/p>\n<p>J\u00e1 notou que o interfer\u00f4metro de Michelson tem um formato de &#8220;L&#8221;? Isto n\u00e3o \u00e9 atoa. Considere um interfer\u00f4metro cujos bra\u00e7o tem tamanho igual, se a luz tem velocidades diferentes em cada dire\u00e7\u00e3o, os feixes chegaram fora de fase no espelho central e ent\u00e3o observaremos um padr\u00e3o de interfer\u00eancia no anteparo. Se o interfer\u00f4metro for rotacionado em um determinado \u00e2ngulo, este padr\u00e3o deve mudar, pois a velocidade da luz depende da dire\u00e7\u00e3o em rela\u00e7\u00e3o ao &#8220;vento de \u00e9ter&#8221;.<\/p>\n<p>Michelson e Morley tentaram provar a exist\u00eancia do \u00e9ter usando um interfer\u00f4metro e tiveram resultados negativos. Este resultado foi um forte ind\u00edcio da inexist\u00eancia do \u00e9ter e da const\u00e2ncia da velocidade da luz, o que acabou levando ao desenvolvimento da teoria da relatividade especial.<\/p>\n<h3 style=\"text-align: center\">Interfer\u00f4metros como observat\u00f3rios de ondas gravitacionais<\/h3>\n<p>Tendo alguma no\u00e7\u00e3o do que s\u00e3o interfer\u00f4metros, podemos agora entender como podemos us\u00e1-los para detectar ondas gravitacionais. Lembrando do post anterior, ondas gravitacionais s\u00e3o caracterizadas pelo efeito de mar\u00e9, isto \u00e9, o espa\u00e7o \u00e9 esticado em uma dire\u00e7\u00e3o e achatado em uma dire\u00e7\u00e3o perpendicular.<\/p>\n<figure id=\"attachment_363\" aria-describedby=\"caption-attachment-363\" style=\"width: 288px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img decoding=\"async\" class=\"size-full wp-image-363\" src=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/GravitationalWave_PlusPolarization.gif\" alt=\"\" width=\"288\" height=\"288\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-363\" class=\"wp-caption-text\">Efeito (exagerado) de uma ondas gravitacional sobre um conjunto de part\u00edculas teste.<\/figcaption><\/figure>\n<p>O leitor mais atento j\u00e1 percebeu que podemos usar o mesmo princ\u00edpio do experimento de Michelson-Morley, por\u00e9m o que muda n\u00e3o \u00e9 a velocidade da luz e sim a dist\u00e2ncia que ela precisa percorrer. Cada observat\u00f3rio do LIGO consiste em um interfer\u00f4metro com formato de &#8220;L&#8221; onde cada bra\u00e7o possui 4 km, quando uma onda gravitacional passa por este interfer\u00f4metro os tamanhos dos bra\u00e7os flutuam e podemos ver uma diferen\u00e7a no padr\u00e3o de interfer\u00eancia.<\/p>\n<p>O grande problema \u00e9 a intensidade do efeito de mar\u00e9. No caso do LIGO estamos interessados em objetos mais pesados que o sol (estrelas de n\u00eautrons e buracos negros) em dist\u00e2ncias da ordem de centenas de Mpc. Nestas configura\u00e7\u00f5es, o efeito observ\u00e1vel de mudan\u00e7a de comprimento \u00e9 aproximadamente (\u0394L\/L ~ 10<sup>-21<\/sup>), isto \u00e9, para o bra\u00e7o do LIGO de L = 4km, a dist\u00e2ncia ser\u00e1 alterada em algo entorno de 10<sup>-18<\/sup> m (1000x menor que um p\u0155oton)!<\/p>\n<h3 style=\"text-align: center\">O interfer\u00f4metro do LIGO<\/h3>\n<p>Um simples interfer\u00f4metro de Michelson n\u00e3o conseguiria detectar ondas gravitacionais. Os cientistas trabalhando no LIGO fizeram v\u00e1rios aprimoramentos de design para torn\u00e1-lo funcional.<\/p>\n<p>Uma das grandes altera\u00e7\u00f5es s\u00e3o as chamadas cavidades de Fabry-Perot, que consiste em adicionar espelhos nos bra\u00e7os do interfer\u00f4metro de forma que os feixes percorram os mesmo v\u00e1rias vezes antes de se recombinarem, aumentando o tamanho efetivo percorrido pelos feixes de 4km para 1120km (um aumento de 280 vezes!).<\/p>\n<figure id=\"attachment_365\" aria-describedby=\"caption-attachment-365\" style=\"width: 480px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-365\" src=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/Basic_michelson_with_FP_labeled-300x225.jpg\" alt=\"\" width=\"480\" height=\"360\" srcset=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/Basic_michelson_with_FP_labeled-300x225.jpg 300w, https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/Basic_michelson_with_FP_labeled-768x576.jpg 768w, https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/Basic_michelson_with_FP_labeled.jpg 960w\" sizes=\"(max-width: 480px) 100vw, 480px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-365\" class=\"wp-caption-text\">Interfer\u00f4metro de Michelson com cavidades de Fabry-Perot.<br \/> Figura por: <a href=\"https:\/\/www.ligo.caltech.edu\/page\/ligos-ifo\">CALTECH\/LIGO<\/a><\/figcaption><\/figure>\n<p>Al\u00e9m disso, o laser do LIGO tem uma pot\u00eancia de 200W, mas devido ao sistema \u00f3ptico, \u00e9 amplificado de forma ao feixe no interfer\u00f4metro ter uma pot\u00eancia de 750 kW!<\/p>\n<p>Lembrando que o sinal que buscamos \u00e9 extremamente min\u00fasculo, alguns efeitos que parecem desprez\u00edveis devem ser considerados. Um exemplo \u00e9 que o laser empurra os espelhos, e mesmo que esse deslocamento seja minusculo, \u00e9 algo apreci\u00e1vel neste experimento. Para diminuir este efeito, os espelhos do LIGO s\u00e3o bastante pesados, possuindo cada um aproximadamente 40kg.<\/p>\n<p>At\u00e9 mesmo as mol\u00e9culas que comp\u00f5e um ar podem ser um problema, elas podem desviar a trajet\u00f3ria do laser ou at\u00e9 mesmo empurrar os espelhos e demais componentes, criando a necessidade de realizar o experimento no v\u00e1cuo. O LIGO possui uma das maiores c\u00e2maras de v\u00e1cuo na Terra, perdendo somente para o LHC. Para se ter uma ideia foram necess\u00e1rios 40 dias para remover os gases dos tubos do LIGO e criar o v\u00e1cuo necess\u00e1rio, utilizando as t\u00e9cnicas mais modernas da \u00e1rea.<\/p>\n<p>Mas talvez as piores fontes de ru\u00eddos indesejados ao experimento sejam vibra\u00e7\u00f5es s\u00edsmicas. Qualquer pessoa que j\u00e1 montou um sistema \u00f3ptico sabe que basta passar um caminh\u00e3o na rua do seu laborat\u00f3rio para desalinhar todo o experimento, mesmo pessoas andando no laborat\u00f3rio podem atrapalhar a tomada de dados. Imagine ent\u00e3o um sistema do porte do LIGO! Existe toda uma parafern\u00e1lia instrumental de alta precis\u00e3o para isolar o interfer\u00f4metro de quaisquer vibra\u00e7\u00f5es.<\/p>\n<h3 style=\"text-align: center\">Por que dois laborat\u00f3rios?<\/h3>\n<p>Dada toda a dificuldade de realizar o experimento, n\u00e3o \u00e9 de se espantar que as pessoas desconfiem dos dados do LIGO, pois uma pequena vibra\u00e7\u00e3o poderia ser mal interpretada como uma poss\u00edvel onda gravitacional. E \u00e9 exatamente por isso que precisamos de no m\u00ednimo dois laborat\u00f3rios, assim s\u00f3 confiaremos em detec\u00e7\u00f5es feitas pelos dois laborat\u00f3rios.<\/p>\n<p>Para confirmar a onda gravitacional \u00e9 preciso que os dois experimentos vejam o mesmo padr\u00e3o de onda em um intervalo de 10ms (o tempo para chegar at\u00e9 o outro laborat\u00f3rio na velocidade da luz)! Al\u00e9m disso com mais de um laborat\u00f3rio, podemos estimar de que dire\u00e7\u00e3o as ondas gravitacionais est\u00e3o sendo emitidas.<\/p>\n<p>Outros laborat\u00f3rios ser\u00e3o constru\u00eddos no futuro e com eles poderemos cobrir mais dire\u00e7\u00f5es para detectar ondas gravitacionais e melhorar a precis\u00e3o do local onde os eventos que as geraram est\u00e3o.<\/p>\n<p>E tudo isto \u00e9 feito para no final obter o sinal da figura abaixo. \ud83d\ude42<\/p>\n<figure id=\"attachment_366\" aria-describedby=\"caption-attachment-366\" style=\"width: 640px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-366 size-large\" src=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/ligo20160211a-819x1024.jpg\" alt=\"\" width=\"640\" height=\"800\" srcset=\"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/ligo20160211a-819x1024.jpg 819w, https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/ligo20160211a-240x300.jpg 240w, https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/ligo20160211a-768x960.jpg 768w, https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/tortaprimordial\/wp-content\/uploads\/sites\/136\/2017\/05\/ligo20160211a.jpg 1200w\" sizes=\"(max-width: 640px) 100vw, 640px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-366\" class=\"wp-caption-text\">Sinal da onda gravitacional GW150914. O eixo vertical mostra a varia\u00e7\u00e3o do espa\u00e7o em rela\u00e7\u00e3o ao valor inicial (\u0394L\/L) e o eixo horizontal mostra o tempo em segundos. O sinal em Hanford chega 6.9 ms depois que em Livingston.<br \/> Imagem por: Ligo Lab (Caltech)<\/figcaption><\/figure>\n<p>Pessoal, por hoje \u00e9 isso! Sei que foi um texto mais pesado e com alguns termos t\u00e9cnicos, mas este experimento \u00e9 fruto das \u00faltimas inova\u00e7\u00f5es em instrumenta\u00e7\u00e3o cient\u00edfica e n\u00e3o \u00e9 t\u00e3o simples entend\u00ea-lo.<\/p>\n<h3>Saiba mais:<\/h3>\n<p><a href=\"http:\/\/www.gwoptics.org\/processing\/space_time_quest\/\">Space Time Quest<\/a> : Neste jogo voc\u00ea deve projetar um interfer\u00f4metro para detectar ondas gravitacionais, tendo recursos ($$) limitados, e em diferentes terrenos como por exemplo uma grande cidade e uma floresta. Quanto mais sens\u00edvel seu detector mais pontos voc\u00ea faz. (N\u00e3o h\u00e1 vers\u00e3o em portugu\u00eas)<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=hLfC_-olcBw\">Ondas gravitacionais (Ci\u00eancia de hoje &#8211; Univesp TV)<\/a> &#8211; Entrevista com o f\u00edsico Riccard Sturani (IFT\/UNESP), bastante did\u00e1tica.<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=0_ec4-17UT8\">Ondas gravitacionais (Primata falante)<\/a> &#8211; S\u00e9rie de tr\u00eas v\u00eddeos sobre ondas gravitacionais do canal Primata falante.<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=z71O5cHTOvM\">Ondas gravitacionais (Nerdologia)<\/a> &#8211; V\u00eddeo bem resumido sobre ondas gravitacionais do canal Nerdologia.<\/p>\n<h3>Refer\u00eancias usadas para elabora\u00e7\u00e3o do texto:<\/h3>\n<p>[1] K. Thorne. &#8220;Gravitational Waves&#8221;, <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/gr-qc\/9506086\">arXiv:gr-qc\/9506086<\/a><\/p>\n<p>[2] LIGO Caltech website: https:\/\/www.ligo.caltech.edu\/<\/p>\n<p>[3] LIGO and VIRGO colaboration, &#8220;Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger&#8221;, Phys. Rev. Lett. 116, 061102<\/p>\n<p>[4] GW Optics, &#8220;<a href=\"http:\/\/www.gwoptics.org\/ebook\/index.php\">E-book on gravitational waves<\/a>&#8221;<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Esta postagem \u00e9 a segunda de uma s\u00e9rie sobre ondas gravitacionais, recomendo ler a parte 1 antes de prosseguir. A onda gravitacional detectada possui frequ\u00eancias dentro do espectro aud\u00edvel para ondas sonoras. Transformando o sinal detectado em ondas sonoras, temos como resultado o som deste v\u00eddeo. 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