The RR Lyrae distance scale from Near-Infrared photometry

The work carried out in this thesis is part of a long-term project aimed at measuring accurate near-infrared magnitudes of RR Lyrae stars in a sample of Galactic globular clusters that cover a wide metallicity range ( 2.3 [ / ] 1.3 Fe H − £ £ − ) and host a sizable population of RR Lyrae stars ( 10 RR N ³ ). In this thesis we will present the result obtained for the Galactic globular clusters M68 and NGC3201, and for the Large Magellanic Cloud cluster Reticulum. The results for these clusters are all based on the observations carried out with SOFI/NTT. The data collected allowed us to provide accurate estimates of J, K mean magnitudes for a large portion of the cluster RR Lyrae variables, and in turn to derive in a homogeneous context the slope of the K-band Period-Luminosity relation (PLK). The slope of the observed PLK relation agrees quite well with theoretical pulsational predictions. On the basis of this agreement between our empirical PLK relations and the theoretical ones, we adopted the latter for estimating the absolute distances to the target clusters. The distances obtained for M68, NGC 3201, and Reticulum disclose a fairly good agreement with the most recent and accurate independent estimates (Baade-Wesselink calibration, FOBE method, d Scuti Period-Luminosity relation). Current data, together with near-infrared data already collected, will allow us to accomplish the following goals: • to derive, on the basis of the new empirical calibration of the PLK , absolute distances for field RR Lyrae stars for which are available mean K magnitudes and to compare them with distances based on Baade-Wesselink method; • to provide, on the basis of predicted and observed PL(J-K)relations, independent estimates of the reddening toward the target clusters; • to supply an independent test on a wide metallicity range of the accuracy of both evolutionary and pulsational predictions adopted to construct the PLK and the PL(J-K) relations; • to obtain accurate optical/near-infrared Color-Magnitude diagrams (CMDs) for the target clusters by adopting the new data and the optical data available in the literature. 6 These CMDs will allow us to compare theory and observations by using color indexes (V-J), (V-K), which are only marginally affected by systematic uncertainties; • to use (V-K) colors to derive accurate estimates of the effective temperatures of the globular clusters RR Lyrae stars, which in turn can be used to provide an estimate of the helium abundance. This result is particularly interesting, because globular clusters are among the oldest objects that can be found in the Galaxy, and therefore the estimated helium estimates can give a hint on the primordial helium abundance.

Il lavoro presentato in questa tesi è parte di un progetto a lungo termine, il cui scopo è quello di produrre un'accurata fotometria nel vicino infrarosso delle variabili di tipo RR Lyrae per un insieme di ammassi globulari Galattici che coprono un ampio intervallo in metallicità e che contengono una numero sufficiente di RR Lyrae. In questa tesi sono presentati i risultati ottenuti per gli ammassi globulari Galattici M68 e NGC3201, e per l'ammasso della Grande Nube di Magellano Reticulum. Tali risultati sono tutti basati su osservazioni effettuate con SOFI/NTT. I dati raccolti ci hanno permesso di fornire stime accurate delle magnitudini J e K per una gran parte delle RR Lyrae degli ammassi, e in definitiva ci hanno permesso di derivare in un contesto omogeneo la pendenza della relazione Periodo-Luminosità nella banda K (PLK). La pendenza trovata è in buon accordo con le predizioni teoriche. Sulla base di tale accordo, abbiamo utilizzato le PLK teoriche per stimare la distanza degli ammassi studiati. Le distanze ottenute per M68 e NGC3201 mostrano un accordo piuttosto buono con le stime indipendenti più recenti ed accurate (claibrazioni Baade-Wesselink, metodo del FOBE, relazione periodoluminosità delle d Scuti). La distanza ottenuta per Reticulum è in buon accordo con le stime più accurate per la Grande Nube di Magellano e, insieme a dati già raccolti per le RR Lyrae di campo della Grande Nube di Magellano, può fornire vincoli robusti sulla struttura tridimensionale di questa galassia. Infine, quando tutti i dati per l'intero campione di ammassi sarà stato raccolto ed analizzato, sarà possibile conseguire i seguenti obiettivi, su un ampio intervallo di metallicità: - derivare, sulla base della una nuova calibrazione della PLK, nuove distanze assolute per le RR Lyrae di campo per le quali è disponibile la fotometria nella banda K, e di confrontare tali distanze con quelle basate sul metodo di Baade-Wesselink; · fornire, sulla base delle relazioni periodo-colore PL(J-K) predette ed osservate, stime indipendenti dell'arrossamento interstellare nella direzione degli ammassi studiati; - produrre un ulteriore test, su un ampio intervallo di metallicità, dell'accuratezza delle predizioni, sia evolutive che pulsazionali, adottate per costruire le relazioni PLK e PL(J-K); - ottenere accurati diagrammi Colore-Magnitudine (CMD) ottici/infrarossi per gli ammassi studiati sulla base dei dati infrarossi raccolti e dei dati ottici disponbili in letteratura. Tali CMD ci consentiranno di effettuare un solido confronto fra teoria e osservazione sulla base dei colori (V-J) e (V-K), che sono solo marginalmente affetti da incertezze sistematiche; - utilizzare i colori (V-K) per derivare stime accurate delle temparature efficaci delle RR Lyrae degli ammassi studiati, che a loro volta possono essere usate per fornire una stima della abbondanza di elio. Questo risultato è particolarmente interessante, poiché gli ammassi globulari sono fra gli oggetti più antichi che possono essere trovati nella Galassia, e quindi l'abbondanza di elio stimata può fornire indizi sull'abbondanza di elio primordiale.