Photometry and astrometry of M22: an integration with spectroscopy for a state-of-the-art characterization.

The presence of multiple stellar populations in globular clusters is one of the most intriguing and mysterious phenomenon in stellar astrophysics. Indeed, these systems host distinct groups of stars typically classified as first generation (1G), with chemical composition akin to halo field stars, and second-generation (2G) stars, with peculiar light-elements composition. Beyond the bulk 1G and 2G patterns typical of old and massive GCs (hereafter, the canonical stars), a subclass of about one-fifth of the studied GCs, dubbed anomalous, presents an additional group of stars enriched in heavier elements, such as s-process elements and iron content. This latter class of clusters has been poorly explored in the literature, and a comprehensive characterization of these structures is mandatory to shed light on the processes that led to the formation of anomalous star and their link with the multiple stellar populations phenomenon. In this work, an extended study on the anomalous GC M22 is presented, both deriving fundamental global parameters, such as age and distance, and exploring its chemically-different populations. First, the most recent Hubble Space Telescope optical observations were reduced by performing state-of-the-art Point Spread Function photometry. The resulting Color-magnitude diagram, published here for the first time, has then been used to infer the age, distance, and reddening of M22. Findings show an age range of 13.2 to 13.8 Gyr, a distance of 3.31 kpc, and mean reddening E(B-V) = 0.39, which are in agreement with previous estimates from the literature. Then, several multiband archive photometric catalogs were considered, involving UV and optical magnitudes, from HST and ground-based observations. To identify the chemically different populations in M22 along the red giant branch -including 1G, 2G, and anomalous stars- from the GC center to the outskirts. With this extended dataset, it was possible to derive the fraction of the different populations and their radial distribution. It was found that 2G stars are more centrally concentrated than the 1G and hints of the anomalous population being more centrally concentrated than the bulk of 1G and 2G stars. Combining the photometric population tagging introduced in this work with literature spectroscopy abundances allowed to directly investigate the Na, Al, and Fe chemical differences between the different populations. I found that 2G stars are enhanced in Na and Al compared to 1G stars, and that anomalous population presents a spread in these elements, thus proving that that they are characterized by light-elements inhomogeneities. Intriguingly, anomalous stars are distributed around higher [Na/Fe] and [Al/Fe] values than the bulk of 1G and 2G stars. Finally, I confirm with this robust approach, based on both photometry and spectroscopy, the presence of a [Fe/H] spread, with anomalous stars being 0.124 dex metal-richer than the rest of M22 stars.

La presenza di popolazioni stellari multiple negli ammassi globulari è uno dei fenomeni più intriganti e misteriosi dell'astrofisica stellare. Infatti, questi sistemi ospitano gruppi distinti di stelle tipicamente classificati come stelle di prima generazione (1G), con composizione chimica simile alle stelle di campo dell'alone, e stelle di seconda generazione (2G), con composizione peculiare di elementi leggeri. Oltre ai pattern 1G e 2G tipici degli ammassi vecchi e massicci (di seguito, le stelle canoniche), una sottoclasse di circa un quinto degli agglomerati studiati, definita anomala, presenta un ulteriore gruppo di stelle arricchite in elementi più pesanti, come elementi "s-process" e contenuto di ferro. Quest'ultima classe di ammassi è stata poco esplorata in letteratura, ed una caratterizzazione completa di queste strutture è obbligatoria per far luce sui processi che hanno portato alla formazione di stelle anomale e sul loro legame con il fenomeno delle popolazioni stellari multiple. In questo lavoro viene presentato uno studio approfondito sull'anomalo GC M22, sia derivando parametri globali fondamentali, come età e distanza, sia esplorando le sue popolazioni chimicamente diverse. Innanzitutto, le osservazioni ottiche più recenti del telescopio spaziale Hubble sono state ridotte eseguendo la fotometria Point Spread Function all'avanguardia. Il diagramma colore-magnitudine risultante, pubblicato qui per la prima volta, è stato quindi utilizzato per dedurre l'età, la distanza e l'arrossamento di M22. I risultati mostrano un intervallo di età compreso tra 13,2 e 13,8 Gyr, una distanza di 3,31 kpc e un arrossamento medio E (B-V) = 0,39, che sono in accordo con le stime precedenti della letteratura. Successivamente, sono stati considerati diversi cataloghi fotometrici di archivi multibanda, coinvolgendo magnitudini UV e ottiche, da osservazioni HST e da terra. Identificare le popolazioni chimicamente diverse in M22 lungo il ramo delle giganti rosse -comprese le stelle 1G, 2G e anomale- dal centro GC alla periferia. Con questo set di dati esteso è stato possibile ricavare la frazione delle diverse popolazioni e la loro distribuzione radiale. Si è scoperto che le stelle 2G sono più concentrate centralmente rispetto a quelle 1G e suggerisce che la popolazione anomala sia più concentrata centralmente rispetto alla maggior parte delle stelle 1G e 2G. La combinazione dell'etichettatura fotometrica della popolazione introdotta in questo lavoro con le abbondanze spettroscopiche della letteratura ha permesso di indagare direttamente le differenze chimiche di Na, Al e Fe tra le diverse popolazioni. Ho scoperto che le stelle 2G sono arricchite in Na e Al rispetto alle stelle 1G, e che la popolazione anomala presenta una diffusione in questi elementi, dimostrando così che sono caratterizzate da disomogeneità di elementi leggeri. Curiosamente, le stelle anomale sono distribuite attorno a valori di [Na/Fe] e [Al/Fe] più alti rispetto alla maggior parte delle stelle 1G e 2G. Infine, confermo con questo approccio robusto, basato sia sulla fotometria che sulla spettroscopia, la presenza di uno spread [Fe/H], con stelle anomale che sono 0,124 dex più ricche di metalli rispetto al resto delle stelle di M22.