Archeologia Galattica. Da popolazioni stellari multiple in ammassi stellari a stelle a bassissima metallicità

L'archeologia galattica mira a scoprire la storia dell'Universo circostante, ponendo al centro della ricerca l'origine della Galassia. Proprio come gli archeologi studiano i fossili per svelare la storia dell'umanità, gli archeologi galattici setacciano le strutture più antiche osservabili oggi nell'Universo per far luce sulle prime fasi del Cosmo. Tra gli oggetti più antichi, gli Ammassi Globulari vecchi (GC) e le stelle estremamente povere di metalli forniscono un'opportunità unica per comprendere la formazione della Via Lattea. In particolare, quasi tutti i GC antichi ospitano più popolazioni stellari (MP) con diversa composizione chimica e possibilmente età. Nonostante gli sforzi della comunità astronomica, l'origine di queste popolazioni stellari, e quindi dei GC, rimane uno dei più grandi misteri dell'astrofisica moderna. Mentre la maggior parte dei lavori in letteratura si basano sulla fotometria e la spettroscopia, recenti lavori teorici suggeriscono che l'attuale dinamica interna di MP differenti fornisca una finestra sulla formazione di questi oggetti, gettando così luce sul primo universo. Nel mio lavoro, ho combinato l'astrometria e la fotometria allo stato dell'arte per esplorare il territorio ancora poco esplorato della dinamica interna delle MP. Analizzando un campione di 9 GC, ho trovato differenze dinamiche e morfologiche in alcuni di questi GC, mentre in altri ammassi le stelle di prima e seconda popolazione condividono le stesse proprietà generali. Nel complesso, il mio lavoro fornisce nuovi vincoli osservativi allo scenario di formazione delle MP nei GC. Aumentando ulteriormente la complessità del puzzle, recenti osservazioni del telescopio spaziale Hubble hanno rivelato come le MP non siano una peculiarità dei GC galattici, ma una caratteristica comune tra gli ammassi galattici aperti (OC) e gli ammassi extra-galattici, più giovani di 2 Gyr. In questo quadro, gli ammassi giovani delle Nubi di Magellano (MC), offrirebbero l'opportunità unica di affrontare questo fenomeno durante il suo svolgimento. Ho dunque analizzato 12 OC galattici, dimostrando come la rotazione stellare sia il meccanismo principale responsabile delle caratteristiche osservate nei diagrammi colore-magnitudine dei giovani OC e anche degli MC. Tuttavia tale analisi non fornisce prove sufficienti per escludere la presenza di differenze di età residue tra le stelle dell'ammasso. Per comprendere l'origine dei MP nei giovani ammassi ho quindi introdotto un nuovo approccio che sfrutta il Main-sequence Turn-On come orologio imparziale per rompere la degenerazione tra età e rotazione stellare. L'analisi del giovane ammasso NGC1818 rivela una storia di formazione stellare caratterizzata da un singolo burst, durato al massimo 8 Myr, escludendo quindi una volta per tutte l'età come responsabile delle caratteristiche osservate nei giovani ammassi MCs. Mentre la luce proveniente da antichi GC fornisce vincoli fondamentali sulla vita iniziale della nostra Galassia, non è l'unica fonte di informazioni che abbiamo. Infatti, le stelle a più bassa metallicità osservabili oggi possono fornire indizi inestimabili sulla formazione della Via Lattea. Queste stelle appartengono alle prime generazioni stellari, e, quindi, la loro cinematica può fornire indicazioni circa gli eventi che si sono verificati durante la formazione della Via Lattea. Ho dunque determinato e analizzato la cinematica di un campione di 475 stelle molto povere di metalli, sfruttando le loro proprietà orbitali per identificare la natura e l'origine di queste stelle. In particolare, mentre virtualmente nessuna stella povera di metalli dovrebbe di trovarsi nel disco galattico, ho trovato che l'11% esibisce orbite confinate entro 3 kpc dal piano galattico, e proprietà dinamiche coerenti con la definizione di stelle a disco spesso. Questo sottocampione rappresenta la coda a bassissima metallicità del disco spesso.

Galactic archaeology aims at uncovering the history of the nearby universe, with a special focus on our own Galaxy. Just like classical archaeologists study fossils to unveil the history of mankind, Galactic archaeologists sift through the most ancient structures observable today, i.e. the stellar fossils, to shed light on the earliest phases of our Universe. Among the oldest objects in our Galaxy, old Globular Clusters (GCs) and Extremely Metal-Poor stars provide the unique opportunity to trace the formation of the Milky Way. Specifically, nearly all ancient GCs are known to harbor multiple stellar populations (MPs) with different chemical composition, and possibly age. Despite the efforts of the astronomical community, the origin of these stellar populations, and therefore of GCs, remains one of the greatest mysteries of modern stellar astrophysics. While most literature works rely on photometry and spectroscopy, recent theoretical and numerical works suggest that the present-day dynamics of stars belonging to different stellar populations provide a unique window into the formation of these objects, thus shedding some light on the Early Universe. In my work, I combine state-of-the-art astrometry and photometry to explore the still quite uncharted internal dynamics of MPs. Specifically, analyzing a sample of 9 GCs I find clear dynamical and morphological differences in some of these GCs, while in some other clusters first- and second-population stars share the same overall properties. Altogether, my work provides new observational evidence to constrain the formation scenario of MPs in GCs. Further increasing the complexity of the puzzle, recent Hubble Space Telescope observations revealed that MPs are not a peculiarity of Galactic GCs, but are a common feature among Galactic Open clusters (OCs) and extra-Galactic clusters younger than 2 Gyr. In this framework, young and intermediate-age Magellanic Clouds (MC) clusters, would offer the unique opportunity to address this phenomenon whilst taking place, or just a few Myr after it happened. To understand the nature of MPs in young clusters I analyzed 12 Galactic OCs, concluding that stellar rotation is the main driver of the observed features in the color-magnitude diagrams of young OCs and MCs as well. Nonetheless, the analysis does not provide enough evidence to exclude the presence of residual age differences among cluster stars. Finally, to comprehend the origin of MPs in young clusters I introduced a novel approach that exploits the Main-sequence Turn-On as an unbiased clock to overcome the degeneracy between age and stellar rotations. The analysis of the young cluster NGC1818 reveals a Star Formation History characterized by a single star formation episode, which lasted, at most, 8 Myr, therefore excluding, once and for all, age as the responsible of the observed features in young MCs clusters. While the light coming from ancient GCs bears fundamental constraints into the early life of our Galaxy, it is not the only source of information that we have. Indeed the lowest metallicity stars observable today can yield priceless clues into the formation of the Milky Way. As a matter of fact, these stars belong to the first generations of stars, and, therefore, their kinematics can supply priceless clues on the events that occurred during the formation of the Milky Way. In this framework, I determined and analyzed the kinematics of a sample of 475 very metal-poor stars exploiting their orbital properties to identify and understand the origin of these rare stars, in relation to the Milky Way formation. Remarkably, while virtually no metal-poor stars is expected to lie in the Galactic disk, I find that ~11% exhibit orbits confined within 3kpc from the Galactic plane, and dynamical properties consistent with the definition of thick disk stars. This sub-sample represents the very low-metallicity tail of the metal-weak thick disc.