Cosmological predictions for a scalar tensor dark energy model by a dedicated Einstein-Boltzmann code

We have extended the Boltzmann code CLASS and studied a specific scalar tensor dark energy model: Induced Gravity

Approccio meccanico statistico allo studio delle Macchine di Boltzmann Ristrette

La Macchina di Boltzmann Ristretta (RBM) è una rete neurale a due strati utilizzata principalmente nell'apprendimento non supervisionato. La sua capacità nel rappresentare complesse relazioni insite nei dati attraverso distribuzioni di tipo Boltzmann Gibbs la rende un oggetto particolarmente interessante per un approfondimento teoretico in ambito fisico matematico. In questa tesi vengono presentati due ambiti di applicazione della meccanica statistica all'apprendimento automatico. 1) La similarità della RBM a unità binarie con il modello di Ising permette di sfruttare un'espansione alle alte temperature per approssimare l'energia libera, termine presente nel gradiente della likelihoood e difficile da trattare numericamente. I risultati ottenuti con questa tecnica sul dataset MNIST sono paragonabili a quelli ottenuti dalla Contrastive Divergence, che utilizza invece metodi di Monte Carlo. 2) L'equivalenza statistica della variante ibrida di RBM con il modello di Hopfield permette di studiare la taglia del training set necessaria per l'apprendimento attraverso l'analisi del problema inverso, in cui i ruoli di spin e pattern sono invertiti. Viene quindi presentato un metodo basato sulla teoria di Gauge che permette di derivare il diagramma di fase del modello di Hopfield duale sulla linea di Nishimori in funzione della temperatura e del rapporto tra numero di campioni e dimensione del sistema.

Transizioni di fase nell'allenamento delle Macchine di Boltzmann Ristrette

In this thesis, we dealt with Restricted Boltzmann Machines with binary priors as models of unsupervised learning, analyzing the role of the number of hidden neurons on the amount of examples needed for a successful training. We simulated a teacher-student scenario and calculated the efficiency of the machine under the assumption of replica symmetry to study the location of the critical threshold beyond which learning begins. Our results confirm the conjecture that, in the absence of correlation between the weights of the data-generating machine, the critical threshold does not depend on the number of hidden units (as long as it is finite) and thus on the complexity of the data. Instead, the presence of correlation significantly reduces the amount of examples needed for training. We have shown that this effect becomes more pronounced as the number of hidden units increases. The entire analysis is supported by numerical simulations that corroborate the results.

Dinamica delle galassie a spirale e delle galassie ellittiche

Questa tesi è una panoramica di alcuni concetti base su cui si fonda la dinamica delle galassie. Nel primo capitolo vengono messi in evidenza i concetti più generali dal punto di vista morfologico- strutturale attraverso la classificazione di Hubble. Nel secondo capitolo si mette in evidenza come un sistema possa essere definito non collisionale (attraverso la stima del tempo di rilassamento ai due corpi) e le conseguenze che ne derivano come, per esempio, l' anisotropia dello stesso sistema che conferisce alla galassia la sua classica forma “schiacciata”. Vengono poi descritti la collisional Boltzmann equation (CBE) e il teorema del viriale in forma tensoriale . Integrando la CBE nello spazio delle velocità otteniamo tre equazioni note come equazioni di Jeans: queste hanno una struttura del tutto identica a quelle della fluidodinamica ma con alcune eccezioni significative che non permettono di descrivere completamente la dinamica delle galassie attraverso la fluidodinamica. Il terzo capitolo è un excursus generale sulle galassie ellittiche: dalla loro struttura alla loro dinamica. Dall' applicazione del teorema del viriale ad un sistema ellittico si può notare come la forma “schiacciata” delle galassie sia una conseguenza dell' anisotropia del sistema e sia dovuta solo in minima parte alla rotazione. Successivamente viene presentato un modello galattico (quello di Jeans), che ci permette di calcolare una distribuzione di massa del sistema attraverso un' equazione che purtroppo non ha soluzione unica e quindi ci rende impossibile calcolare il rapporto massa- luminosità. Infine viene descritto il fundamental plane che è una relazione empirica tale per cui ad ogni galassia viene associato un determinato valore di raggio effettivo, dispersione di velocità e luminosità. Nel quarto ed ultimo capitolo viene trattata la dinamica delle parti più esterne di una galassia: disco e bracci. La dinamica del disco è descritta attraverso la curva di rotazione che, come vedremo, ha delle caratteristiche abbastanza diverse da una curva di rotazione di tipo kepleriano (quella che ad esempio descrive l' andamento della velocità in funzione della distanza nel nostro sistema solare). Infine viene descritta la dinamica dei bracci e la teoria delle onde di densità di Lin e Shu, due astronomi americani, che riesce a descrivere compiutamente la nascita e l' evoluzione dei bracci a spirale.

Equazioni di stato della materia in astrofisica

Una stella non è un sistema in "vero" equilibrio termodinamico: perde costantemente energia, non ha una composizione chimica costante nel tempo e non ha nemmeno una temperatura uniforme. Ma, in realtà, i processi atomici e sub-atomici avvengono in tempi così brevi, rispetto ai tempi caratteristici dell'evoluzione stellare, da potersi considerare sempre in equilibrio. Le reazioni termonucleari, invece, avvengono su tempi scala molto lunghi, confrontabili persino con i tempi di evoluzione stellare. Inoltre il gradiente di temperatura è dell'ordine di 1e-4 K/cm e il libero cammino medio di un fotone è circa di 1 cm, il che ci permette di assumere che ogni strato della stella sia uno strato adiabatico a temperatura uniforme. Di conseguenza lo stato della materia negli interni stellari è in una condizione di ``quasi'' equilibrio termodinamico, cosa che ci permette di descrivere la materia attraverso le leggi della Meccanica Statistica. In particolare lo stato dei fotoni è descritto dalla Statistica di Bose-Einstein, la quale conduce alla Legge di Planck; lo stato del gas di ioni ed elettroni non degeneri è descritto dalla Statistica di Maxwell-Boltzmann; e, nel caso di degenerazione, lo stato degli elettroni è descritto dalla Statistica di Fermi-Dirac. Nella forma più generale, l'equazione di stato dipende dalla somma dei contributi appena citati (radiazione, gas e degenerazione). Vedremo prima questi contributi singolarmente, e dopo li confronteremo tra loro, ottenendo delle relazioni che permettono di determinare quale legge descrive lo stato fisico di un plasma stellare, semplicemente conoscendone temperatura e densità. Rappresentando queste condizioni su un piano $\log \rho \-- \log T$ possiamo descrivere lo stato del nucleo stellare come un punto, e vedere in che stato è la materia al suo interno, a seconda della zona del piano in cui ricade. È anche possibile seguire tutta l'evoluzione della stella tracciando una linea che mostra come cambia lo stato della materia nucleare nelle diverse fasi evolutive. Infine vedremo come leggi quantistiche che operano su scala atomica e sub-atomica siano in grado di influenzare l'evoluzione di sistemi enormi come quelli stellari: infatti la degenerazione elettronica conduce ad una massa limite per oggetti completamente degeneri (in particolare per le nane bianche) detta Massa di Chandrasekhar.

Sistemi a temperatura assoluta negativa

Studio dei sistemi termodinamici che possono accedere a stati di inversione di popolazione. Confronto dei risultati ottenuti studiando questi sistemi sia con l'approccio di Boltzmann che con quello di Gibbs alla meccanica statistica.

Condizioni di equilibrio di una nana bianca

Il seguente lavoro di tesi descrive un modello fisico di nana bianca all'equilibrio partendo da dati empirici tipici per tali stelle. Si schematizza la stella come una sfera di gas He completamente ionizzato di densità uniforme, a temperatura T=const e soggetta ad un potenziale gravitazionale centrale. Il gas si costituisce di una parte degenere relativistica (elettroni) ed una parte classica ideale (gli ioni). Si procede ricavando le relazioni essenziali per determinare le proprietà di un gas di Fermi degenere relativistico, mostrando come, al limite di Boltzmann, descrivano anche il caso classico. La trattazione teorica è progressivamente supportata dalle stime dei parametri caratteristici delle due componenti del gas per verificare le loro condizioni fisiche e stimare l'importanza dei rispettivi contributi all'intero sistema. Si procede quindi all'esposizione dell'equilibrio tra pressione degenere ed attrazione gravitazionale ponendo particolare attenzione alla relazione raggio-massa. Infine si discutono le condizioni entro le quali un sistema fisico con tali caratteristiche può sussistere, con esplicito riferimento al limite di Chandrasekhar.

Dinamica delle galassie a spirale e delle galassie ellittiche

In questa tesi si vuole fornire una descrizione generale delle dinamiche delle galassie ellittiche e a spirale. Nel primo capitolo si danno informazioni generali sulle grandezze che caratterizzano le galassie e come esse vengono classificate. Nel secondo capitolo si espone il concetto di sistema collisionale, si fa notare come le galassie risultino essere sistemi non collisionali e come questo porti delle semplificazioni nella trattazione di questi oggetti e ne spieghi alcune caratteristiche. Si prosegue andando a considerare le equazioni che descrivono il moto (equazione non collisionale di Boltzmann, equazioni di Jeans, teorema del viriale in forma tensoriale) e le informazioni che si possono ricavare. Nel terzo capitolo ci si concentra sulle galassie ellittiche e sulle principali leggi che le descrivono e dalle quali è possibile ottenere stime riguardo distanza e dimensioni. Il quarto e ultimo capitolo è incentrato sulle galassie a spirale e in particolare sulla dinamica del disco, e come si è giunti all'ipotesi dell'esistenza della materia oscura, e sulla dinamica dei bracci.

Simulazione di fluidi in Computer Graphics

Questa tesi si focalizza sullo studio dei modelli fisico-matematici attualmente in uso per la simulazione di fluidi al calcolatore con l’obiettivo di fornire nozioni di base e avanzate sull’utilizzo di tali metodi. La trattazione ha lo scopo di facilitare la comprensione dei principi su cui si fonda la simulazione di fluidi e rappresenta una base per la creazione di un proprio simulatore. E’ possibile studiare le caratteristiche di un fluido in movimento mediante due approcci diversi, l’approccio lagrangiano e l’approccio euleriano. Mentre l’approccio lagrangiano ha lo scopo di conoscere il valore, nel tempo, di una qualsiasi proprietà di ciascuna particella che compone il fluido, l’approccio euleriano, fissato uno o più punti del volume di spazio occupato da quest’ultimo, vuole studiare quello che accade, nel tempo, in quei punti. In particolare, questa tesi approfondisce lo studio delle equazioni di Navier-Stokes, approcciandosi al problema in maniera euleriana. La soluzione numerica del sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali derivante dalle equazioni sopracitate, approssima la velocità del fluido, a partire dalla quale è possibile risalire a tutte le grandezze che lo caratterizzano. Attenzione viene riservata anche ad un modello facente parte dell’approccio semi-lagrangiano, il Lattice Boltzmann, considerato una via di mezzo tra i metodi puramente euleriani e quelli lagrangiani, che si basa sulla soluzione dell’equazione di Boltzmann mediante modelli di collisione di particelle. Infine, analogamente al metodo di Lattice Boltzmann, viene trattato il metodo Smoothed Particles Hydrodynamics, tipicamente lagrangiano, secondo il quale solo le proprietà delle particelle comprese dentro il raggio di una funzione kernel, centrata nella particella di interesse, influenzano il valore della particella stessa. Un resoconto pratico della teoria trattata viene dato mediante delle simulazioni realizzate tramite il software Blender 2.76b.

A next-to-leading order calculation of the impact of primordial magnetic fields into cosmological observables

In this thesis, we perform a next-to-leading order calculation of the impact of primordial magnetic fields (PMF) into the evolution of scalar cosmological perturbations and the cosmic microwave background (CMB) anisotropy. Magnetic fields are everywhere in the Universe at all scales probed so far, but their origin is still under debate. The current standard picture is that they originate from the amplification of initial seed fields, which could have been generated as PMFs in the early Universe. The most robust way to test their presence and constrain their features is to study how they impact on key cosmological observables, in particular the CMB anisotropies. The standard way to model a PMF is to consider its contribution (quadratic in the magnetic field) at the same footing of first order perturbations, under the assumptions of ideal magneto-hydrodynamics and compensated initial conditions. In the perspectives of ever increasing precision of CMB anisotropies measurements and of possible uncounted non-linear effects, in this thesis we study effects which go beyond the standard assumptions. We study the impact of PMFs on cosmological perturbations and CMB anisotropies with adiabatic initial conditions, the effect of Alfvén waves on the speed of sound of perturbations and possible non-linear behavior of baryon overdensity for PMFs with a blue spectral index, by modifying and improving the publicly available Einstein-Boltzmann code SONG, which has been written in order to take into account all second-order contributions in cosmological perturbation theory. One of the objectives of this thesis is to set the basis to verify by an independent fully numerical analysis the possibility to affect recombination and the Hubble constant.

Classificazione spettrale delle stelle

In questo elaborato che conclude il Corso di Laurea in Astronomia vengono presentate le classificazioni spettrali di Harvard e di Yerkes, osservando anche i motivi per cui storicamente assumono il loro aspetto. Vengono poi analizzati i processi fisici che danno forma agli spettri permettendo di caratterizzarli gli uni dagli altri. In conclusione vengono osservate le tecniche osservative necessarie all'analisi dei dati.

Determination of local density of states in amorphous oxide semiconductors with Kelvin Probe Force Microscopy

Amorphous semiconductors are important materials as they can be deposited by physical deposition techniques on large areas and even on plastic substrates. Therefore, they are crucial for transistors in large active matrices for imaging and transparent wearable electronics. The most widely applied candidate for amorphous thin film transistors production is Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO). It is attracting much interest because of its optical transparency, facile processing by sputtering deposition and notable improved charge carrier mobility with respect to hydrogenated amorphous silicon a-Si:H. Degradation of the device and long-term performance issues have been observed if IGZO thin film transistors are subjected to electrical stress, leading to a modification of IGZO channel properties and subthreshold slope. Therefore, it is of great interest to have a reliable and precise method to study the conduction band tail, and the density of states in amorphous semiconductors. The aim of this thesis is to develop a local technique using Kelvin Probe Force Microscopy to study the evolution of IGZO DOS properties. The work is divided into three main parts. First, solutions to the non-linear Poisson-Boltzmann equation of a metal-insulator-semiconductor junction describing the charge accumulation and its relation to DOS properties are elaborated. Second macroscopic techniques such as capacitance voltage (CV) measurements and photocurrent spectroscopy are applied to obtain a non-local estimate of band-tail DOS properties in thin film transistor samples. The third part of my my thesis is dedicated to the KPFM measurements. By fitting the data to the developed numerical model, important parameters describing the amorphous conduction band tail are obtained. The results are in excellent agreement with the macroscopic characterizations. KPFM result is comparable also with non-local optoelectronic characterizations, such as photocurrent spectroscopy.

Dinamica delle galassie a spirale e delle galassie ellittiche

La Dinamica Stellare è la disciplina che si occupa di descrivere la struttura e l'evoluzione dei sistemi stellari. Quest'elaborato si pone come obiettivo quello di illustrare una panoramica sui modelli e le tecniche necessari allo studio dei moti delle stelle all'interno delle galassie, per poi tradurli in pratica tramite applicazioni alle due tipologie principali di galassie. Dopo aver introdotto le principali caratteristiche delle galassie attraverso la Classificazione di Hubble, verrà affrontata la peculiarità di questi sistemi, ovvero la non collisionalità, introducendo il concetto di Tempo di Rilassamento a due corpi. In seguito, si illustreranno le equazioni che permettono di descrivere un sistema non collisionale, ovvero l'Equazione di Boltzmann e le Equazioni di Jeans, con conseguente caratterizzazione del Teorema del Viriale per questo tipo di sistemi. In conclusione, si approfondirà dapprima la dinamica delle galassie ellittiche attraverso lo studio della loro anisotropia, del profilo di brillanza e del Piano Fondamentale; successivamente, per quanto concerne le galassie a spirale, si tratterà la Curva di Rotazione, la Legge di Tully Fisher che ne descrive la luminosità e si terminerà con una descrizione della dinamica dei bracci a spirale attraverso la teoria delle Onde di Densità di Lin e Shu.

Teorema del viriale e applicazioni astrofisiche

Il teorema del viriale esprime una delle relazioni più importanti e utilizzate in astrofisica. In questo elaborato il teorema del viriale viene dimostrato in maniera classica per un generico sistema di N corpi, evidenziando in particolare la forma che esso assume in sistemi autogravitanti. Successivamente si forniscono alcune generalizzazioni del teorema e si mostra come esso possa essere dedotto dall’equazione non collisionale di Boltzmann grazie al concetto di funzione di distribuzione. Nella seconda parte della tesi si discutono alcune implicazioni del teorema del viriale per sistemi autogravitanti, quali il meccanismo di Kelvin-Helmholtz nelle stelle e la catastrofe gravotermica negli ammassi globulari. Infine si utilizza il teorema del viriale tensoriale per spiegare come forma, rotazione e anisotropia siano tra loro legate nelle galassie ellittiche.