Analytic models of self-gravitating rotating gaseous tori with central black hole

In this thesis project, I present stationary models of rotating fluids with toroidal distributions that can be used to represent the active galactic nuclei (AGN) central obscurers, i.e. molecular tori (Combes et al., 2019), as well as geometrically thick accretion discs, like ADAF discs (Narayan and Yi, 1995) or Polish doughnuts (Abramowicz, 2005). In particular, I study stationary rotating systems with a more general baroclinic distribution (with a vertical gradient of the angular velocity), which are often more realistic and less studied, due to their complexity, than the barotropic ones (with cylindrical rotation), which are easier to construct. In the thesis, I compute analytically the main intrinsic and projected properties of the power-law tori based on the potential-density pairs of Ciotti and Bertin (2005). I study the density distribution and the resulting gravitational potential for different values of α, in the range 2 < α < 5. For the same models, I compute the surface density of the systems when seen face-on and edge-on. I then apply the stationary Euler equations to obtain rotational velocity and temperature distributions of the self-gravitating models in the absence of an external gravitational potential. In the thesis I also consider the power-law tori with the presence of a central black hole in addition to the gas self-gravity, and solving analytically the stationary Euler equations, I compute how the properties of the system are modified by the black hole and how they vary as a function of the black hole mass. Finally, applying the Solberg-Høiland criterion, I show that these baroclinic stationary models are linearly stable in the absence of the black hole. In the presence of the black hole I derive the analytical condition for stability, which depends on α and on the black hole mass. I also study the stability of the tori in the hypothesis that they are weakly magnetized, finding that they are always unstable to this instability.

Taylor formula for Kolmogorov equations

After briefly discuss the natural homogeneous Lie group structure induced by Kolmogorov equations in chapter one, we define an intrinsic version of Taylor polynomials and Holder spaces in chapter two. We also compare our definition with others yet known in literature. In chapter three we prove an analogue of Taylor formula, that is an estimate of the remainder in terms of the homogeneous metric.

Preconditioning strategies for the numerical solution of convection-diffusion partial differential equations

Il trattamento numerico dell'equazione di convezione-diffusione con le relative condizioni al bordo, comporta la risoluzione di sistemi lineari algebrici di grandi dimensioni in cui la matrice dei coefficienti è non simmetrica. Risolutori iterativi basati sul sottospazio di Krylov sono ampiamente utilizzati per questi sistemi lineari la cui risoluzione risulta particolarmente impegnativa nel caso di convezione dominante. In questa tesi vengono analizzate alcune strategie di precondizionamento, atte ad accelerare la convergenza di questi metodi iterativi. Vengono confrontati sperimentalmente precondizionatori molto noti come ILU e iterazioni di tipo inner-outer flessibile. Nel caso in cui i coefficienti del termine di convezione siano a variabili separabili, proponiamo una nuova strategia di precondizionamento basata sull'approssimazione, mediante equazione matriciale, dell'operatore differenziale di convezione-diffusione. L'azione di questo nuovo precondizionatore sfrutta in modo opportuno recenti risolutori efficienti per equazioni matriciali lineari. Vengono riportati numerosi esperimenti numerici per studiare la dipendenza della performance dei diversi risolutori dalla scelta del termine di convezione, e dai parametri di discretizzazione.

Applications of elliptic functions to solve differential equations

In questa tesi si mostrano alcune applicazioni degli integrali ellittici nella meccanica Hamiltoniana, allo scopo di risolvere i sistemi integrabili. Vengono descritte le funzioni ellittiche, in particolare la funzione ellittica di Weierstrass, ed elenchiamo i tipi di integrali ellittici costruendoli dalle funzioni di Weierstrass. Dopo aver considerato le basi della meccanica Hamiltoniana ed il teorema di Arnold Liouville, studiamo un esempio preso dal libro di Moser-Integrable Hamiltonian Systems and Spectral Theory, dove si prendono in considerazione i sistemi integrabili lungo la geodetica di un'ellissoide, e il sistema di Von Neumann. In particolare vediamo che nel caso n=2 abbiamo un integrale ellittico.