Action-based dynamical models of the Fornax dwarf spheroidal galaxy

Il lavoro presentato in questa Tesi si basa sul calcolo di modelli dinamici per Galassie Sferoidali Nane studiando il problema mediante l'utilizzo di funzioni di distribuzione. Si è trattato un tipo di funzioni di distribuzione, "Action-Based distribution functions", le quali sono funzioni delle sole variabili azione. Fornax è stata descritta con un'appropriata funzione di distribuzione e il problema della costruzione di modelli dinamici è stato affrontato assumendo sia un alone di materia oscura con distribuzione di densità costante nelle regioni interne sia un alone con cuspide. Per semplicità è stata assunta simmetria sferica e non è stato calcolato esplicitamente il potenziale gravitazionale della componente stellare (le stelle sono traccianti in un potenziale gravitazionale fissato). Tramite un diretto confronto con alcune osservabili, quali il profilo di densità stellare proiettata e il profilo di dispersione di velocità lungo la linea di vista, sono stati trovati alcuni modelli rappresentativi della dinamica di Fornax. Modelli calcolati tramite funzioni di distribuzione basati su azioni permettono di determinare in maniera autoconsistente profili di anisotropia. Tutti i modelli calcolati sono caratterizzati dal possedere un profilo di anisotropia con forte anisotropia tangenziale. Sono state poi comparate le stime di materia oscura di questi modelli con i più comuni e usati stimatori di massa in letteratura. E stato inoltre stimato il rapporto tra la massa totale del sistema (componente stellare e materia oscura) e la componente stellare di Fornax, entro 1600 pc ed entro i 3 kpc. Come esplorazione preliminare, in questo lavoro abbiamo anche presentato anche alcuni esempi di modelli sferici a due componenti in cui il campo gravitazionale è determinato dall'autogravità delle stelle e da un potenziale esterno che rappresenta l'alone di materia oscura.

A Comparative Analysis of Dynamical Models for Tidal Dissipation in Natural Satellite Ephemerides

The study of the tides of a celestial bodies can unveil important information about their interior as well as their orbital evolution. The most important tidal parameter is the Love number, which defines the deformation of the gravity field due to an external perturbing body. Tidal dissipation is very important because it drives the secular orbital evolution of the natural satellites, which is even more important in the case of the the Jupiter system, where three of the Galilean moons, Io, Europa and Ganymede, are locked in an orbital resonance where the ratio of their mean motions is 4:2:1. This is called Laplace resonance. Tidal dissipation is described by the dissipation ratio k2/Q, where Q is the quality factor and it describes the dampening of a system. The goal of this thesis is to analyze and compare the two main tidal dynamical models, Mignard's model and gravity field variation model, to understand the differences between each model with a main focus on the single-moon case with Io, which can help also understanding better the differences between the two models without over complicating the dynamical model. In this work we have verified and validated both models, we have compared them and pinpointed the main differences and features that characterize each model. Mignard's model treats the tides directly as a force, while the gravity field variation model describes the tides with a change of the spherical harmonic coefficients. Finally, we have also briefly analyzed the difference between the single-moon case and the two-moon case, and we have confirmed that the governing equations that describe the change of semi-major axis and eccentricity are not good anymore when more moons are present.

Dynamical models in neuroscience: the delay FitzHugh-Nagumo equation

Il primo modello matematico in grado di descrivere il prototipo di un sistema eccitabile assimilabile ad un neurone fu sviluppato da R. FitzHugh e J. Nagumo nel 1961. Tale modello, per quanto schematico, rappresenta un importante punto di partenza per la ricerca nell'ambito neuroscientifico delle dinamiche neuronali, ed è infatti capostipite di una serie di lavori che hanno puntato a migliorare l’accuratezza e la predicibilità dei modelli matematici per le scienze. L’elevato grado di complessità nello studio dei neuroni e delle dinamiche inter-neuronali comporta, tuttavia, che molte delle caratteristiche e delle potenzialità dell’ambito non siano ancora state comprese appieno. In questo lavoro verrà approfondito un modello ispirato al lavoro originale di FitzHugh e Nagumo. Tale modello presenta l’introduzione di un termine di self-coupling con ritardo temporale nel sistema di equazioni differenziali, diventa dunque rappresentativo di modelli di campo medio in grado di descrivere gli stati macroscopici di un ensemble di neuroni. L'introduzione del ritardo è funzionale ad una descrizione più realistica dei sistemi neuronali, e produce una dinamica più ricca e complessa rispetto a quella presente nella versione originale del modello. Sarà mostrata l'esistenza di una soluzione a ciclo limite nel modello che comprende il termine di ritardo temporale, ove tale soluzione non può essere interpretata nell’ambito delle biforcazioni di Hopf. Allo scopo di esplorare alcune delle caratteristiche basilari della modellizzazione del neurone, verrà principalmente utilizzata l’impostazione della teoria dei sistemi dinamici, integrando dove necessario con alcune nozioni provenienti dall’ambito fisiologico. In conclusione sarà riportata una sezione di approfondimento sulla integrazione numerica delle equazioni differenziali con ritardo.

A two-body study of dynamical expansion in the XXZ spin chain and equivalent interacting fermion models

Lo scopo di questa tesi è studiare l'espansione dinamica di due fermioni interagenti in una catena unidimensionale cercando di definire il ruolo degli stati legati durante l'evoluzione temporale del sistema. Lo studio di questo modello viene effettuato a livello analitico tramite la tecnica del Bethe ansatz, che ci fornisce autovalori ed autovettori dell'hamiltoniana, e se ne valutano le proprietà statiche. Particolare attenzione è stata dedicata alle caratteristiche dello spettro al variare dell'interazione tra le due particelle e alle caratteristiche degli autostati. Dalla risoluzione dell'equazione di Bethe vengono ricercate le soluzioni che danno luogo a stati legati delle due particelle e se ne valuta lo spettro energetico in funzione del momento del centro di massa. Si è studiato inoltre l'andamento del numero delle soluzioni, in particolare delle soluzioni che danno luogo ad uno stato legato, al variare della lunghezza della catena e del parametro di interazione. La valutazione delle proprietà dinamiche del modello è stata effettuata tramite l'utilizzo dell'algoritmo t-DMRG (time dependent - Density Matrix Renormalization Group). Questo metodo numerico, che si basa sulla decimazione dello spazio di Hilbert, ci permette di avere accesso a quantità che caratterizzano la dinamica quali la densità e la velocità di espansione. Da queste sono stati estratti i proli dinamici della densità e della velocità di espansione al variare del valore del parametro di interazione.

Thermal structure and dynamical modeling of a Mediterranean tropical-like cyclone

In the present work, a detailed analysis of a Mediterranean TLC occurred in January 2014 has been conducted. The author is not aware of other studies regarding this particular event at the publication of this thesis. In order to outline the cyclone evolution, observational data, including weather-stations data, satellite data, radar data and photographic evidence, were collected at first. After having identified the cyclone path and its general features, the GLOBO, BOLAM and MOLOCH NWP models, developed at ISAC-CNR (Bologna), were used to simulate the phenomenon. Particular attention was paid on the Mediterranean phase as well as on the Atlantic phase, since the cyclone showed a well defined precursor up to 3 days before the minimum formation in the Alboran Sea. The Mediterranean phase has been studied using different combinations of GLOBO, BOLAM and MOLOCH models, so as to evaluate the best model chain to simulate this kind of phenomena. The BOLAM and MOLOCH models showed the best performance, by adjusting the path erroneously deviated in the National Centre for Environmental Prediction (NCEP) and ECMWF operational models. The analysis of the cyclone thermal phase shown the presence of a deep-warm core structure in many cases, thus confirming the tropical-like nature of the system. Furthermore, the results showed high sensitivity to initial conditions in the whole lifetime of the cyclone, while the Sea Surface Temperature (SST) modification leads only to small changes in the Adriatic phase. The Atlantic phase has been studied using GLOBO and BOLAM model and with the aid of the same methodology already developed. After tracing the precursor, in the form of a low-pressure system, from the American East Coast to Spain, the thermal phase analysis was conducted. The parameters obtained showed evidence of a deep-cold core asymmetric structure during the whole Atlantic phase, while the first contact with the Mediterranean Sea caused a sudden transition to a shallow-warm core structure. The examination of Potential Vorticity (PV) 3-dimensional structure revealed the presence of a PV streamer that individually formed over Greenland and eventually interacted with the low-pressure system over the Spanish coast, favouring the first phase of the cyclone baroclinic intensification. Finally, the development of an automated system that tracks and studies the thermal phase of Mediterranean cyclones has been encouraged. This could lead to the forecast of potential tropical transition, against with a minimum computational investment.

Analysis of Lead-Acid batteries with a third-order dynamical model

Electrical energy storage is a really important issue nowadays. As electricity is not easy to be directly stored, it can be stored in other forms and converted back to electricity when needed. As a consequence, storage technologies for electricity can be classified by the form of storage, and in particular we focus on electrochemical energy storage systems, better known as electrochemical batteries. Largely the more widespread batteries are the Lead-Acid ones, in the two main types known as flooded and valve-regulated. Batteries need to be present in many important applications such as in renewable energy systems and in motor vehicles. Consequently, in order to simulate these complex electrical systems, reliable battery models are needed. Although there exist some models developed by experts of chemistry, they are too complex and not expressed in terms of electrical networks. Thus, they are not convenient for a practical use by electrical engineers, who need to interface these models with other electrical systems models, usually described by means of electrical circuits. There are many techniques available in literature by which a battery can be modeled. Starting from the Thevenin based electrical model, it can be adapted to be more reliable for Lead-Acid battery type, with the addition of a parasitic reaction branch and a parallel network. The third-order formulation of this model can be chosen, being a trustworthy general-purpose model, characterized by a good ratio between accuracy and complexity. Considering the equivalent circuit network, all the useful equations describing the battery model are discussed, and then implemented one by one in Matlab/Simulink. The model has been finally validated, and then used to simulate the battery behaviour in different typical conditions.

Hidden Schrödinger symmetry in FLRW and Bianchi I minisuperspace models of cosmology and black holes Schwarzschild dynamics

A broad sector of literature focuses on the relationship between fluid dynamics and gravitational systems. This thesis presents results that suggest the existence of a new kind of fluid/gravity duality not based on the holographic principle. The goal is to provide tools that allow us to systematically unearth hidden symmetries for reduced models of cosmology. The focus is on the field space of these models, i.e. the superspace. In fact, conformal isometries of the supermetric leave geodesics in the field space unaltered; this leads to symmetries of the models. An innovative aspect is the use of the Eisenhart-Duval’s lift. Using this method, systems constrained by a potential can be treated as free ones. Moreover, charges explicitly dependent on time, i.e. dynamical, can be found. A detailed analysis is carried out on three basic models of homogenous cosmology: i) flat Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker’s isotropic universe filled with a massless scalar field; ii) Schwarzschild’s black hole mechanics and its extension to vacuum (A)dS gravity; iii) Bianchi’s anisotropic type I universe with a massless scalar field. The results show the presence of a hidden Schrödinger’s symmetry which, being intrinsic to both Navier-Stokes’ and Schrödinger’s equations, indicates a correspondence between cosmology and hydrodynamics. Furthermore, the central extension of this algebra explicitly relates two concepts. The first is the number of particles coming from the fluid picture; while the second is the ratio between the IR and UV cutoffs that weighs how much a theory has of “classical” over “quantum”. This suggests a spacetime that emerges from an underlying world which is described by quantum building blocks. These quanta statistically conspire to appear as gravitational phenomena from a macroscopic point of view.