HST and ground-based analysis of multiple stellar populations in globular clusters

In the last decades spectroscopic and photometric evidence has proven that globular clusters host multiple stellar populations characterized by different chemical abundances. The aim of my thesis is to give a contribution in the analysis of multiple stellar populations in Galactic globular clusters, using observations collected both with ground-based telescopes and with the Hubble Space Telescope. The first part of the thesis presents an overview regarding the topic of multiple stellar populations in Galactic globular clusters, from the first photometric and spectroscopic discoveries to the various theories developed to describe the formation and evolution of different stellar generations in a cluster. Then a description of my work regarding multiple stellar populations in the globular clusters NGC 6121, NGC 6397, and NGC 6752 is given. Using ground-based FORS2@VLT observations of external regions of these three globular clusters, we identified multiple stellar populations in the main sequence of NGC 6121 and NGC 6752. This work has been possible thanks to high-precision photometry and appropriate combinations of colors and magnitudes. We presented the radial distribution of the two stellar populations hosted by each globular cluster, combining our result for the external regions with the fraction of first and second stellar generation measured in the central regions using Hubble Space Telescope data. Both for NGC 6121 and for NGC 6752, we found that the radial distribution of the number ratio of the blue main sequence to the red main sequence is almost flat inside ~17 arcmin from the center of each cluster. Hydrodynamical and N-body simulations for the formation and evolution of multiple stellar populations predict that second generation stars form in the inner regions of the cluster and are initially more concentrated than first generation stars. The subsequent long-term dynamical evolution, driven by two-body relaxation, gradually erases the initial differences in the first and second generation spatial distributions; this is the reason why, for long relaxation-time systems (e.g. omega Cen), second generation stars are concentrated in the globular cluster inner regions and retain some memory of the initial predicted spatial segregation. The relaxation-times of the globular clusters NGC 6121 and NGC 6752 are quite short (less then 1 Gyr), and therefore the two populations hosted by each cluster are today well-mixed, as demonstrated by their flat distribution. In this work, we have also given an estimate of how much the second generation is enriched in helium with respect to the first generation, finding a mild (Delta Y ~ 0.02) difference between the two sequences for both the clusters. I am a Co-I of the Hubble Space Telescope Treasury programme ``UV Legacy Survey of Galactic Globular Clusters: Shedding Light on Their Populations and Formation'' (GO-13297, PI: G. Piotto). The second part of the thesis is based on this project. The aim of the Hubble Space Telescope treasury programme GO-13297 is the characterization and analysis of multiple stellar populations in a sample containing 56 globular clusters, using UV/blue and optical filters. Using the Hubble Space Telescope treasury programme data, we analyzed the multiple stellar populations of the metal-rich globular cluster NGC 6352. The combination of UV/blue and optical observations has made possible to split and follow the two stellar populations across all the evolutionary sequences of all color-magnitude diagrams. We estimated the enrichment in helium of the second stellar generation, finding Delta Y~0.03. Moreover, we developed an innovative technique to put an upper limit on the relative age between the two stellar generations, with a careful discussion of the impact on relative age of all possible sources of uncertainty in the cluster parameters, such as the error on \Delta Y or variations of metallicity and alpha-enhancement. Considering all these uncertainties together, we found that the two stellar populations of NGC 6352 are coeval within ~300 Myr. This result will be useful to constraint theoretical models of formation and evolution of multiple stellar populations in globular clusters. Finally, in the last part of the thesis, I summarize the results presented in this work and present a list of works that I would like to realize in future.

Negli ultimi decenni, prove spettroscopiche e fotometriche hanno dimostrato che gli ammassi globulari ospitano popolazioni stellari multiple caratterizzate da abbondanze chimiche differenti. Lo scopo della mia tesi e` dare un contributo nell'analisi delle popolazioni stellari multiple negli ammassi globulari della nostra Galassia, usando osservazioni acquisite sia con telescopi da terra che con l'Hubble Space Telescope. La prima parte della tesi e` una panoramica sul tema delle popolazioni stellari multiple negli ammassi globulari galattici, dalle prime scoperte fotometriche e spettroscopiche alle varie teorie sviluppate per descrivere la formazione ed l'evoluzione delle differenti generazioni stellari in un ammasso. In seguito, viene data una descrizione del mio lavoro sulle popolazioni stellari multiple negli ammassi globulari NGC 6121, NGC 6397 e NGC 6752. Usando le osservazioni da terra effettuate con FORS2@VLT delle regioni esterne di questi tre ammassi globulari, abbiamo identificato popolazioni stellari multiple nella sequenza principale di NGC 6121 e NGC 6752. Questo lavoro e` stato possible grazie a fotometria di alta precisione e combinazioni appropriate di colori e magnitudini. Abbiamo mostrato la distribuzione radiale delle due popolazioni stellari ospitate da ciascuno ammasso globulare, combinando il nostro risultato per le regioni esterne con la frazione di stelle di prima e seconda generazione misurate nelle regioni centrali con i dati dell'Hubble Space Telescope. Per entrambi gli ammassi NGC 6121 e NGC 6752, abbiamo trovato che la distribuzione radiale dei rapporti fra il numero di stelle nella sequenza principale blu e in quella rossa e` abbastanza piatta entro ~17 arcmin dal centro di ogni ammasso. Simulazioni idrodinamiche e a N-corpi riguardanti la formazione ed evoluzione delle popolazioni stellari multiple, predicono che le stelle di seconda generazione si formano nelle regioni interne dell'ammasso e sono inizialmente piu` concentrate rispetto alla prima generazione. La successiva evoluzione dinamica a lungo termine, guidata dal rilassamento a due corpi, cancella gradualmente le differenze iniziali tra le distribuzioni spaziali della prima e seconda generazione; questa e` la ragione per cui, in sistemi caratterizzati da tempi di rilassamento lunghi (per esempio omega Cen), le stelle di seconda generazione sono concentrate nelle regioni interne e conservano la memoria della segregazione spaziale iniziale predetta. I tempi di rilassamento degli ammassi globulari NGC 6121 e NGC 6752 sono abbastanza corti (meno di 1 Gyr), e percio` le due popolazioni ospitate da ogni ammasso sono oggi ben mescolate, come dimostrato dalla loro distribuzione spaziale piatta. In questo lavoro, diamo anche una stima di quanto la seconda generazione e` arricchita in elio rispetto alla prima generazione, trovando una leggera differenza (Delta Y ~0.02) tra le due sequenze per entrambi gli ammassi. Io sono uno dei Co-I del programma Treasury dell'Hubble Space Telescope "UV Legacy Survey of Galactic Globular Clusters: Shedding Light on Their Populations and Formation'' (GO-13297, PI: G. Piotto). La seconda parte della tesi e` basata su questo progetto. Lo scopo del programma Treasury GO-13297 dell'Hubble Space Telescope e` la caratterizzazione e analisi di popolazioni stellari multiple in un campione contenente 56 ammassi globulari, usando filtri UV/blu e ottici. Sfruttando i dati del programma Treasury dell'Hubble Space Telescope, abbiamo analizzato le popolazioni stellari multiple dell'ammasso globulare, caratterizzato da alta metallicita`, NGC 6352. La combinazione di osservazioni UV/blu e ottiche ha reso possibile individuare e seguire le due popolazioni stellari lungo tutte le sequenze evolutive dei diagrammi colore-magnitudine. Abbiamo stimato l'arricchimento in elio della seconda generazione, trovando Delta Y~0.03. Inoltre, abbiamo sviluppato una tecnica innovativa per porre un limite superiore sull'eta` relativa tra le due generazioni stellari, considerando attentamente l'impatto sull'eta` relativa di tutte le possibili sorgenti di incertezza nei parametri dell'ammasso, come l'errore su Delta Y o le variazioni di metallicita` e alpha-enhancement. Considerando tutte queste incertezze insieme, abbiamo trovato che le popolazioni stellari si NGC 6352 sono coeve entro ~300 Myr. Questo risultato sara` utile per vincolare i modelli teorici di formazione ed evoluzione di popolazioni stellari multiple negli ammassi globulari. Infine, nell'ultima parte della tesi, riassumo i risultati presentati in questo lavoro e presento una lista di lavori che vorrei realizzare in futuro.