We present Hubble Space Telescope observations that show a bifurcation of colors in the middle main sequence of the globular cluster ω Centauri. We see this in three different fields, observed with different cameras and filters. We also present high-precision photometry of a central Advanced Camera for Surveys field, which shows a number of main-sequence turnoffs and subgiant branches. The double main sequence, the multiple turnoffs and subgiant branches, and other population sequences discovered in the past along the red giant branch of this cluster add up to a fascinating but frustrating puzzle. We suggest various explanations, none of them very conclusive.

Having shown in a recent paper that the main sequence of ω Centauri is split into two distinct branches, we now present spectroscopic results showing that the bluer sequence is less metal-poor. We have carefully combined VLT's GIRAFFE spectra of 17 stars on each side of the split into a single spectrum for each branch, with adequate signal-to-noise ratio, to show clearly that the stars of the blue main sequence are less metal-poor by 0.3 dex than those of the dominant red one. From an analysis of the individual spectra, we could not detect any abundance spread among the blue main-sequence stars, whereas the red main-sequence stars show a 0.2 dex spread in metallicity. We use stellar structure models to show that only greatly enhanced helium can explain the color difference between the two main sequences, and we discuss ways in which this enhancement could have arisen.

We use high-precision photometry of red-giant-branch (RGB) stars in 57 Galactic globular clusters (GCs), mostly from the ‘Hubble Space Telescope (HST) UV Legacy Survey of Galactic GCs’, to identify and characterize their multiple stellar populations. For each cluster the pseudo-two-colour diagram (or ‘chromosome map’) is presented, built with a suitable combination of stellar magnitudes in the F275W, F336W, F438W, and F814W filters that maximizes the separation between multiple populations. In the chromosome map of most GCs (type-I clusters), stars separate in two distinct groups that we identify with the first (1G) and the second generation (2G). This identification is further supported by noticing that 1G stars have primordial (oxygen-rich, sodium-poor) chemical composition, whereas 2G stars are enhanced in sodium and depleted in oxygen. This 1G–2G separation is not possible for a few GCs where the two sequences have apparently merged into an extended, continuous sequence. In some GCs (type-II clusters) the 1G and/or the 2G sequences appear to be split, hence displaying more complex chromosome maps. These clusters exhibit multiple subgiant branches (SGBs) also in purely optical colour–magnitude diagrams, with the fainter SGB joining into a red RGB which is populated by stars with enhanced heavy-element abundance. We measure the RGB width by using appropriate colours and pseudo-colours. When the metallicity dependence is removed, the RGB width correlates with the cluster mass. The fraction of 1G stars ranges from ∼8 per cent to ∼67 per cent and anticorrelates with the cluster mass, indicating that incidence and complexity of the multiple population phenomenon both increase with cluster mass.

Context. The fraction of binary stars is an important ingredient to interpret globular cluster dynamical evolution and their stellar population.

The ACS Survey of Globular Clusters has used HST's Wide-Field Channel to obtain uniform imaging of 65 of the nearest globular clusters to provide an extensive homogeneous dataset for a broad range of scientific investigations. The survey goals required not only a uniform observing strategy, but also a uniform reduction strategy. To this end, we designed a sophisticated software program to process the cluster data in an automated way. The program identifies stars simultaneously in the multiple dithered exposures for each cluster and measures them using the best available PSF models. We describe here in detail the program's rationale, algorithms, and output. The routine was also designed to perform artificial-star tests, and we run a standard set of ~10^5 tests for each cluster in the survey. The catalog described here will be exploited in a number of upcoming papers and will eventually be made available to the public via the world-wide web.

In this paper we describe a new UV-initiative HST project (GO-13297) that will complement the existing F606W and F814W database of the ACS Globular Cluster (GC) Treasury by imaging most of its clusters through UV/blue WFC3/UVIS filters F275W, F336W and F438W. This "magic trio" of filters has shown an uncanny ability to disentangle and characterize multiple-population (MP) patterns in GCs in a way that is exquisitely sensitive to C, N, and O abundance variations. Combination of these passbands with those in the optical also gives the best leverage for measuring helium enrichment. The dozen clusters that had previously been observed in these bands exhibit a bewildering variety of MP patterns, and the new survey will map the full variance of the phenomenon. The ubiquity of multiple stellar generations in GCs has made the formation of these cornerstone objects more intriguing than ever; GC formation and the origin of their MPs have now become one and the same problem. In the present paper we will describe the data base and our data reduction strategy, as well as the uses we intend to make of the final photometry, astrometry, and proper motions. We will also present preliminary color-magnitude diagrams from the data so far collected. These diagrams also draw on data from GO-12605 and GO-12311, which served as a pilot project for the present GO-13297.

The horizontal branch (HB) morphology of globular clusters (GCs) is most strongly influenced by metallicity. The second parameter phenomenon, first described in the 1960s, acknowledges that metallicity alone is not enough to describe the HB morphology of all GCs. In particular, astronomers noticed that the outer Galactic halo contains GCs with redder HBs at a given metallicity than are found inside the solar circle. Thus, at least a second parameter was required to characterize HB morphology. While the term "second parameter" has since come to be used in a broader context, its identity with respect to the original problem has not been conclusively determined. Here we analyze the median color difference between the HB and the red giant branch, hereafter denoted as Δ(V − I), measured from Hubble Space Telescope (HST) Advanced Camera for Surveys (ACS) photometry of 60 GCs within ∼20 kpc of the Galactic center. Analysis of this homogeneous data set reveals that, after the influence of metallicity has been removed from the data, the correlation between Δ(V − I) and age is stronger than that of any other parameter considered. Expanding the sample to include HST ACS and Wide Field Planetary Camera 2 photometry of the six most distant Galactic GCs lends additional support to the correlation between Δ(V − I) and age. This result is robust with respect to the adopted metallicity scale and the method of age determination, but must bear the caveat that high-quality, detailed abundance information is not available for a significant fraction of the sample. Furthermore, when a subset of GCs with similar metallicities and ages is considered, a correlation between Δ(V − I) and central luminosity density is exposed. With respect to the existence of GCs with anomalously red HBs at a given metallicity, we conclude that age is the second parameter and central density is most likely the third. Important problems related to HB morphology in GCs, notably multi-modal distributions and faint blue tails, remain to be explained.

We build on the evidence provided by our Legacy Survey of Galactic globular clusters (GC) to submit to a crucial test four scenarios currently entertained for the formation of multiple stellar generations in GCs. The observational constraints on multiple generations to be fulfilled are manifold, including GC specificity, ubiquity, variety, predominance, discreteness, supernova avoidance, p-capture processing, helium enrichment and mass budget. We argue that scenarios appealing to supermassive stars, fast rotating massive stars and massive interactive binaries violate in an irreparable fashion two or more among such constraints. Also the scenario appealing to AGB stars as producers of the material for next generation stars encounters severe difficulties, specifically concerning the mass budget problem and the detailed chemical composition of second generation stars. We qualitatively explore ways possibly allowing one to save the AGB scenario, specifically appealing to a possible revision of the cross section of a critical reaction rate destroying sodium, or alternatively by a more extensive exploration of the vast parameter space controlling the evolutionary behavior of AGB stellar models. Still, we cannot ensure success for these efforts and totally new scenarios may have to be invented to understand how GCs formed in the early Universe.

Context. The ESO public survey VISTA variables in the Vía Láctea (VVV) started in 2010. VVV targets 562 sq. deg in the Galactic bulge and an adjacent plane region and is expected to run for about five years.