Popolazioni stellari multiple in ammassi globulari: studio dell'ammasso NGC6626

Globular clusters (GCs) are among the oldest objects in the Universe and, until the end of the last century, were considered examples of simple stellar populations. The discovery of multiple sequences in color-magnitude diagrams (CMDs) has instead revealed the presence of distinct stellar populations, each with different chemical composition, making the formation of globular clusters a fascinating enigma. Several theories propose simultaneous or multi-generational formation scenarios, each with different cosmological implications. Understanding the process underlying the formation of globular clusters is crucial for the study of galactic evolution and the role of globular clusters during the reionization of the Universe. The chemical composition, radial distribution and kinematics of multiple populations are key elements to constrain these scenarios. In this thesis, after illustrating the phenomenon of multiple populations, I analyzed the globular cluster NGC6626 using multi-band and multi-epoch photometry of the Hubble Space Telescope (HST). I have accurately identified the stars belonging to the cluster through their proper motions and corrected the photometry of NGC6626 for the strong differential reddening, which had so far hindered accurate studies. The photometric analysis revealed a double main sequence (MS), attributable to two stellar populations with significant helium difference, representing the first photometric evidence for the presence of multipopulations in the globular cluster NGC6626. I examined for the first time their radial distribution and internal kinematics: in the observed radial range (from 0.66 to 1.25 half-light radii), the two populations show the same radial distribution and an isotropic motion. These results are discussed in the context of the formation scenarios. Finally, thanks to the high-precision proper motion measurements, I have studied the distribution of stellar velocities near the center of the globular cluster. Although no stars have been identified with kinematics clearly related to the presence of a massive object, such as a black hole in the central regions, the high proper motion of some stars close to the center deserves further investigation. In addition, I also extended the analysis to the globular cluster NGC6397. Using multi-epoch and multi-band photometry obtained with the Hubble, James Webb and Euclid space telescopes, I examined the radial distribution and internal kinematics. The results were published in the journal Astronomy and Astrophysics in a paper “Exploring multiple stellar populations in globular clusters with Euclid: A theoretical overview and insights from NGC 6397”, of which I am a co-author (Milone et al., 2025).

Gli ammassi globulari (GCs) sono tra gli oggetti più antichi dell’Universo e, fino alla fine del secolo scorso, erano considerati esempi di popolazioni stellari semplici. La scoperta di sequenze multiple nei diagrammi colore-magnitudine (CMDs) ha invece rivelato la presenza di popolazioni stellari distinte, ognuna con diversa composizione chimica, rendendo la formazione degli ammassi globulari un affascinante enigma. Diverse teorie propongono scenari di formazione simultanea o multi-generazionale, ciascuno con implicazioni cosmologiche differenti. Comprendere il processo alla base della formazione degli ammassi globulari è cruciale per lo studio dell’evoluzione galattica e del ruolo degli ammassi globulari durante la reionizzazione dell’Universo. La composizione chimica, la distribuzione radiale e la cinematica delle popolazioni multiple sono elementi chiave per vincolare questi scenari. In questa tesi, dopo aver illustrato il fenomeno delle popolazioni multiple, ho analizzato l’ammasso globulare NGC6626 utilizzando fotometria multibanda e multi-epoca del Telescopio Spaziale Hubble (HST). Ho identificato con precisione le stelle appartenenti all’ammasso tramite i moti propri e corretto la fotometria di NGC6626 per il forte reddening differenziale, che finora aveva ostacolato studi accurati. L’analisi fotometrica ha rivelato una doppia sequenza principale (MS), attribuibile a due popolazioni stellari con significativa differenza di elio, rappresentando la prima evidenza fotometrica della presenza di multipopolazioni nell’ammasso globulare NGC6626. Ho esaminato per la prima volta la loro distribuzione radiale e la cinematica interna: nell’intervallo radiale osservato (da 0.66 a 1.25 raggi di metà luce), le due popolazioni mostrano la stessa distribuzione radiale e un moto isotropico. Questi risultati sono discussi nel contesto degli scenari di formazione. Infine, grazie alle misure di moti propri ad alta precisione, ho studiato la distribuzione delle velocità stellari vicino al centro dell’ammasso globulare. Sebbene non siano state identificate stelle caratterizzate da una cinematica chiaramente legata alla presenza di un oggetto massiccio, come un buco nero nelle regioni centrali, l’elevato moto proprio di alcune stelle prossime al centro merita ulteriori indagini. In aggiunta, ho anche esteso l’analisi all’ammasso globulare NGC6397. Utilizzando fotometria multi-epoca e multi-banda ottenuta con i telescopi spaziali Hubble, James Webb e Euclid, ho esaminato la distribuzione radiale e la cinematica interna. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Astronomy and Astrophysics in un articolo “Exploring multiple stellar populations in globular clusters with Euclid: A theoretical overview and insights from NGC 6397”, di cui sono co-autrice (Milone et al., 2025).