Multiple stellar populations in globular clusters

In this thesis, we conducted a comprehensive study on the phenomenon of multiple stellar populations (mPOPs) in globular clusters (GCs). Specifically, we focused our attention on two GCs: NGC 6752 and Omega Centauri. As a part of this thesis, we obtained observational time with the Hubble Space Telescope (HST; program GO-16247, P.I. Scalco) to observe two external fields of Omega Centauri. The aim of these observations is to separate and identify the mPOPs in the external part of Omega Centauri, and study their spatial distribution and dynamics along an extensive part of the cluster. The initial part of the thesis primarily focused on the analysis and reduction of external fields of Omega Centauri, which were observed under HST programs GO-14118 + GO-14662. The results of this reduction have been published in Scalco et al. (2021, MNRAS). One of those fields, which represents the deepest HST observers field of the cluster, was used to make predictions for brown dwarfs in the cluster in a recent paper. Subsequently, a similar procedure was applied to the two fields observed under the HST program GO-16247 (P.I. Scalco). We utilized data from both the analyzed external fields of Omega Centauri and recent findings from a central field, to investigate the radial distribution of its mPOPs across a significant portion of the cluster. Our analysis revealed a distinct pattern between the two primary populations of the cluster, namely the blue main sequence (bMS) and the red main sequence (rMS). This observed trend aligns with theoretical predictions suggesting that second-stellar populations tend to form in more centrally concentrated regions compared to the first-stellar populations. Using data from the Gaia space telescope, we investigated the predicted relationship between internal rotation in GCs and stellar masses in 47 Tuc, Omega Centauri, and M 5. Our study revealed a correlation between rotation and stellar mass in 47 Tuc and M 5, with the rotational velocity increasing with stellar mass. This provides the first observational evidence supporting the predicted rotation-mass relation. In contrast, Omega Centauri did not exhibit clear evidence of a rotation-stellar mass trend, likely due to its young dynamical age. The results of this study have been published in Scalco et al. (2023, MNRAS Letter). We then conducted a comprehensive investigation into the kinematics of NGC 6752, examining both the overall cluster properties and its distinct stellar populations. Our analysis incorporated data from multiple instruments, including HST, Gaia, and ESO/VLT-Keck. We examined the radial profiles of velocity dispersion and anisotropy for each separated stellar population, finding no significant differences between them across various regions and magnitude ranges explored in this study. We examined near-infrared images of an outer field of NGC 6752, captured by HST. Our focus was on exploring the luminosity functions (LFs) and mass functions in the lower part of the main sequence for the three stellar populations within NGC 6752. We discovered a variation in the LF between the first and second populations, consistent with theoretical expectations. We proceeded to investigate the white dwarf (WD) sequence in the nearby Galactic GC NGC 6752. The study indicated that the presence of multiple populations and helium envelope WDs within the cluster has a negligible effect on the faint part of the WD LF. Future studies will focus on the analysis and investigation of the radial distribution and dynamics of mPOPs in GCs. These studies will provide important information for the theoretical models of GC formations and evolutions. This thesis was carried out at the Università di Ferrara - Dipartimeto di Fisica e Scienze della Terra, Istituto Nazionale Astrofisica - Osservatorio Astronomico di Padova (INAF-OAPD), Europen Southen Observatory (ESO), Indiana University (IU) and Space Telescope Science Institute (STScI).

In questa tesi abbiamo condotto un'indagine sul fenomeno delle popolazioni stellari negli ammassi globulari. In particolare, ci siamo concentrati su due ammassi: NGC 6752 e Omega Centauri. Come parte di questo studio, abbiamo ottenuto tempo osservativo con il Telescopio Spaziale Hubble (HST; programma GO-16247, P.I. Scalco) per osservare due campi esterni di Omega Centauri. L'obiettivo di queste osservazioni era separare e identificare le popolazioni stellari nella parte esterna di Omega Centauri e studiarne la distribuzione spaziale e la dinamica lungo una parte estesa dell'ammasso. La fase iniziale della tesi si è concentrata principalmente sull'analisi e la riduzione dei campi esterni di Omega Centauri, osservati nell'ambito dei programmi HST GO-14118 + GO-14662. I risultati di questa riduzione sono stati pubblicati in Scalco et al. (2021, MNRAS). Successivamente, una procedura simile è stata applicata ai due campi osservati nel programma HST GO-16247 (P.I. Scalco). Abbiamo utilizzato dati provenienti sia dai campi esterni di Omega Centauri analizzati sia dai risultati recenti di un campo centrale per indagare la distribuzione radiale delle sue popolazioni stellari in una parte significativa dell'ammasso. La nostra analisi ha rivelato un diverso gradiente radiale tra le due principali popolazioni dell'ammasso, ossia la sequenza principale blu (bMS) e la sequenza principale rossa (rMS). Questo trend osservato è in linea con le previsioni teoriche che suggeriscono che le seconde popolazioni stellari tendono a formarsi in regioni più centralmente concentrate rispetto alle prime popolazioni stellari. Utilizzando i dati provenienti dal telescopio spaziale Gaia, abbiamo esplorato la relazione prevista tra la rotazione interna negli ammassi globulari e le masse stellari in 47 Tuc, Omega Centauri e M 5. Il nostro studio ha rivelato una correlazione tra rotazione e massa stellare in 47 Tuc e M 5, con la velocità di rotazione che aumenta con la massa stellare. Questa è la prima evidenza osservativa a supporto della relazione prevista tra rotazione e massa. Al contrario, Omega Centauri non ha mostrato evidenze chiare di un trend tra rotazione e massa stellare, probabilmente a causa della sua giovane età dinamica. I risultati di questo studio sono stati pubblicati in Scalco et al. (2023, MNRAS Letter). Successivamente, abbiamo condotto un'indagine approfondita sulla cinematica di NGC 6752, esaminando sia le proprietà complessive dell'ammasso che le sue diverse popolazioni stellari. Abbiamo esaminato i profili radiali della dispersione della velocità e dell'anisotropia per ciascuna popolazione stellare separatamente, non trovando differenze significative tra di esse in varie regioni e intervalli di magnitudine esplorati in questo studio. Abbiamo esaminato immagini nel vicino infrarosso di un campo esterno di NGC 6752, catturate da HST. Il nostro focus era esplorare le funzioni di luminosità e le funzioni di massa nella parte inferiore della sequenza principale per le tre popolazioni stellari all'interno di NGC 6752. Abbiamo scoperto una variazione nella funzione di luminosità tra le prime e le seconde popolazioni, coerente con le aspettative teoriche. Successivamente, abbiamo indagato la sequenza delle nane bianche in NGC 6752. Lo studio ha indicato che la presenza di popolazioni multiple e nane bianche con involucro di elio all'interno dell'ammasso ha un effetto trascurabile sulla parte debole della funzione di luminosità delle nane bianche. Studi futuri si concentreranno sull'analisi e sull'indagine della distribuzione radiale e della dinamica delle popolazioni stellari negli ammassi globulari. Questa tesi è stata condotta presso l'Università di Ferrara - Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra, l'Istituto Nazionale di Astrofisica - Osservatorio Astronomico di Padova (INAF-OAPD), l'Europen Southen Observatory (ESO), l'Indiana University (IU) e lo Space Telescope Science Institute (STScI).