MCAO for Extremely Large Telescopes: the cases of LBT and E-ELT

Several MCAO systems are under study to improve the angular resolution of the current and of the future generation large ground-based telescopes (diameters in the 8-40 m range). The subject of this PhD Thesis is embedded in this context. Two MCAO systems, in dierent realization phases, are addressed in this Thesis: NIRVANA, the 'double' MCAO system designed for one of the interferometric instruments of LBT, is in the integration and testing phase; MAORY, the future E-ELT MCAO module, is under preliminary study. These two systems takle the sky coverage problem in two dierent ways. The layer oriented approach of NIRVANA, coupled with multi-pyramids wavefront sensors, takes advantage of the optical co-addition of the signal coming from up to 12 NGS in a annular 2' to 6' technical FoV and up to 8 in the central 2' FoV. Summing the light coming from many natural sources permits to increase the limiting magnitude of the single NGS and to improve considerably the sky coverage. One of the two Wavefront Sensors for the mid- high altitude atmosphere analysis has been integrated and tested as a stand- alone unit in the laboratory at INAF-Osservatorio Astronomico di Bologna and afterwards delivered to the MPIA laboratories in Heidelberg, where was integrated and aligned to the post-focal optical relay of one LINC-NIRVANA arm. A number of tests were performed in order to characterize and optimize the system functionalities and performance. A report about this work is presented in Chapter 2. In the MAORY case, to ensure correction uniformity and sky coverage, the LGS-based approach is the current baseline. However, since the Sodium layer is approximately 10 km thick, the articial reference source looks elongated, especially when observed from the edge of a large aperture. On a 30-40 m class telescope, for instance, the maximum elongation varies between few arcsec and 10 arcsec, depending on the actual telescope diameter, on the Sodium layer properties and on the laser launcher position. The centroiding error in a Shack-Hartmann WFS increases proportionally to the elongation (in a photon noise dominated regime), strongly limiting the performance. To compensate for this effect a straightforward solution is to increase the laser power, i.e. to increase the number of detected photons per subaperture. The scope of Chapter 3 is twofold: an analysis of the performance of three dierent algorithms (Weighted Center of Gravity, Correlation and Quad-cell) for the instantaneous LGS image position measurement in presence of elongated spots and the determination of the required number of photons to achieve a certain average wavefront error over the telescope aperture. An alternative optical solution to the spot elongation problem is proposed in Section 3.4. Starting from the considerations presented in Chapter 3, a first order analysis of the LGS WFS for MAORY (number of subapertures, number of detected photons per subaperture, RON, focal plane sampling, subaperture FoV) is the subject of Chapter 4. An LGS WFS laboratory prototype was designed to reproduce the relevant aspects of an LGS SH WFS for the E-ELT and to evaluate the performance of different centroid algorithms in presence of elongated spots as investigated numerically and analytically in Chapter 3. This prototype permits to simulate realistic Sodium proles. A full testing plan for the prototype is set in Chapter 4.

Cosmological perturbations in generalized theories of gravity

The first part of the thesis concerns the study of inflation in the context of a theory of gravity called "Induced Gravity" in which the gravitational coupling varies in time according to the dynamics of the very same scalar field (the "inflaton") driving inflation, while taking on the value measured today since the end of inflation. Through the analytical and numerical analysis of scalar and tensor cosmological perturbations we show that the model leads to consistent predictions for a broad variety of symmetry-breaking inflaton's potentials, once that a dimensionless parameter entering into the action is properly constrained. We also discuss the average expansion of the Universe after inflation (when the inflaton undergoes coherent oscillations about the minimum of its potential) and determine the effective equation of state. Finally, we analyze the resonant and perturbative decay of the inflaton during (p)reheating. The second part is devoted to the study of a proposal for a quantum theory of gravity dubbed "Horava-Lifshitz (HL) Gravity" which relies on power-counting renormalizability while explicitly breaking Lorentz invariance. We test a pair of variants of the theory ("projectable" and "non-projectable") on a cosmological background and with the inclusion of scalar field matter. By inspecting the quadratic action for the linear scalar cosmological perturbations we determine the actual number of propagating degrees of freedom and realize that the theory, being endowed with less symmetries than General Relativity, does admit an extra gravitational degree of freedom which is potentially unstable. More specifically, we conclude that in the case of projectable HL Gravity the extra mode is either a ghost or a tachyon, whereas in the case of non-projectable HL Gravity the extra mode can be made well-behaved for suitable choices of a pair of free dimensionless parameters and, moreover, turns out to decouple from the low-energy Physics.

L'area dei Lungarni di Pisa nel tardo Medioevo (XIV-XV secolo). un tentativo di ricostruzione in 3D.

Lo scopo di questa ricerca è la ricostruzione dei Lungarni di Pisa nel Tardo Medioevo (XIV-XV secolo); lo studio intende sottolineare le trasformazioni urbanistiche che hanno cambiato il volto di Pisa nel corso del tempo e ricordare che l’area fluviale ebbe un ruolo di primo piano come baricentro commerciale ed economico della città, vocazione che si è in gran parte persa con l’età moderna e contemporanea. La metodologia seguita, affinata e perfezionata durante la partecipazione al progetto Nu.M.E. (Nuovo Museo Elettronico della Città di Bologna), si basa sull’analisi e il confronto di fonti eterogenee ma complementari, che includono precedenti studi di storia dell’urbanistica, un corpus di documentazione di epoca medievale (provvedimenti amministrativi come gli Statuti del Comune di Pisa, ma anche descrizioni di cronisti e viaggiatori), fonti iconografiche, tra cui vedute e mappe cinquecentesche o successive, e fonti materiali, come le persistenze medievali ancora osservabili all’interno degli edifici ed i reperti rinvenuti durante alcune campagne di scavo archeologiche. Il modello 3D non è concepito come statico e “chiuso”, ma è liberamente esplorabile all’interno di un engine tridimensionale; tale prodotto può essere destinato a livelli di utenza diversi, che includono sia studiosi e specialisti interessati a conoscere un maggior numero di informazioni e ad approfondire la ricerca, sia semplici cittadini appassionati di storia o utenti più giovani, come studenti di scuole medie superiori e inferiori.

Simulazione dinamica di un veicolo dotato di powertrain ibrido endotermico-elettrico

Nel panorama motoristico ed automobilistico moderno lo sviluppo di motori a combustione interna e veicoli è fortemente influenzato da diverse esigenze che spesso sono in contrasto le une con le altre. Infatti gli obiettivi di economicità e riduzione dei costi riguardanti la produzione e la commercializzazione dei prodotti sono in contrasto con gli sforzi che devono essere operati dalle case produttrici per soddisfare le sempre più stringenti normative riguardanti le emissioni inquinanti ed i consumi di carburante dei veicoli. Fra le numerose soluzioni presenti i veicoli ibridi rappresentano una alternativa che allo stato attuale è già presente sul mercato in varie forme, a seconda della tipologie di energie accoppiate. In letteratura è possibile trovare numerosi studi che trattano l’ottimizzazione dei componenti o delle strategie di controllo di queste tipologie di veicoli: in moltissimi casi l’obiettivo è quello di minimizzare consumi ed emissioni inquinanti. Normalmente non viene posta particolare attenzione agli effetti che l’aggiunta delle macchine elettriche e dei componenti necessari per il funzionamento delle stesse hanno sulla dinamica del veicolo. Il presente lavoro di tesi è incentrato su questi aspetti: si è considerata la tipologia di veicoli ibridi termici-elettrici di tipo parallelo andando ad analizzare come cambiasse il comportamento dinamico del veicolo in funzione del tipo di installazione considerato per la parte elettrica del powertrain. In primo luogo è stato quindi necessario costruire ed implementare un modello dinamico di veicolo che permettesse di applicare coppie alle quattro ruote in maniera indipendente per considerare diverse tipologie di powertrain. In seguito si sono analizzate le differenze di comportamento dinamico fra il veicolo considerato e l’equivalente versione ibrida e i possibili utilizzi delle macchine elettriche per correggere eventuali deterioramenti o cambiamenti indesiderati nelle prestazioni del veicolo.