Calibrating the thermally-pulsing asymptotic giant branch phase through resolved stellar populations in nearby galaxies

Most of the physical processes driving the Thermally-Pulsing Asymptotic Giant Branch (TP-AGB) evolution are not yet fully understood and they need to be modelled with parametrised descriptions. The uncertainties of the models affect the interpretation of the spectrophotometric properties of galaxies up to high-redshift. In the framework of the ERC - STARKEY project, the aim of this Thesis is to constrain the uncertain parameters, i.e. third dredge-up and mass-loss, that still affect the TP-AGB models. To this purpose, I perform detailed simulations of AGB star populations in the Small Magellanic Cloud (SMC) based on robust measurements of the space-resolved star formation history as derived from the deep near-infrared photometry of the VISTA survey of the Magellanic Clouds. I compare the resulting synthetic catalogues with high-quality observations of resolved stellar populations in the infrared passbands of 2MASS and Spitzer. A large grid of TP-AGB evolutionary tracks is computed with several combinations of third dredge-up and mass-loss prescriptions. By requiring the models to reproduce the star counts and the luminosity functions of the observed Oxygen-, Carbon-rich and extreme-AGB stars, I put quantitative constraints on the efficiencies of the third dredge-up and mass-loss. The observed luminosity functions in all the available infrared photometric filters are successfully reproduced by two set of models, one with a relatively high mass-loss efficiency for Oxygen-rich stars and the second with a lower mass-loss efficiency and a lower efficiency of the third dredge-up for the more massive TP-AGB stars, i.e. initial masses larger than three solar masses. On the basis of the best-fitting model I present a complete characterisation of the AGB population in terms of stellar parameters, including the predicted mass-loss rates, initial masses, and Carbon-to-Oxygen ratio. I use the TP-AGB models calibrated in the SMC to model the population of Long Period Variables (LPVs) in the Large Magellanic Cloud as observed by Gaia. The remarkable agreement between models and observations allows us to guide the interpretation of a new observational diagram that is able to photometrically distinguish the evolutionary stages, the initial masses and the chemical type of these stars. In the context of the Large Synoptic Survey Telescope (LSST) science collaboration, I produce catalogues containing the synthetic photometry of the Magellanic Clouds in the Gaia and LSST filters. These catalogues, together with the all-sky simulations of the Milky Way will be made available to the community through the NOAO Data Lab to help defining the observing strategy of the LSST mini-surveys. In addition, I simulate samples of AGB stars in Local Group dwarf galaxies and find a general agreement with the data. However, to properly consider these objects in the TP-AGB models calibration, the simulations should be improved to take into account the crowding effects and the different areas used for the star formation histories derivation and the AGB stars identification. Finally, the products of this work, namely calibrated stellar isochrones and pulsation periods of LPVs, will be publicly available and ready to use for the interpretation of the data coming from present and future observing facilities. The calibrated TP-AGB models may be included in population synthesis models used to probe the integrated light of galaxies in the extragalactic Universe.

La maggior parte dei processi fisici che controllano l'evoluzione delle stelle di ramo asintotico nella fase dei pulsi termici (TP-AGB) non sono ancora stati pienamente compresi e devono essere modellati con descrizioni parametriche. Le incertezze dei modelli hanno un impatto sull'interpretazione delle proprietà spettrofotometriche delle galassie fino ad alto redshift. Nel contesto del progetto ERC - STARKEY, lo scopo di questa Tesi è di vincolare i parametri incerti, ovvero il terzo dredge-up e la perdita di massa nei modelli stellari AGB. A tal fine, ho effettuato dettagliate simulazioni di popolazioni stellari della Piccola Nube di Magellano basate su robuste misure della storia di formazione stellare spazialmente risolta, derivata dalla fotometria infrarossa della survey VISTA delle Nubi di Magellano. Ho confrontato i risultati dei cataloghi sintetici con accurate osservazioni delle popolazioni stellari risolte nelle bande infrarosse di 2MASS e Spitzer. Un'estesa griglia di tracce evolutive TP-AGB è stata calcolata con diverse prescrizioni di perdita di massa e terzo dredge-up. Imponendo ai modelli di riprodurre i conteggi stellari e le funzioni di luminosità osservate delle stelle AGB e delle sottoclassi di AGB ricche di ossigeno, ricche di carbonio e delle stelle più arrossate, ho posto vincoli quantitativi sull'efficienza del terzo dredge-up e della perdita di massa. Le funzioni di luminosità osservate in tutti i filtri infrarossi disponibili sono riprodotte con successo da due set di modelli: il primo ha una perdita di massa con efficienza relativamente alta per le stelle ricche di ossigeno e il secondo ha un'efficienza di perdita di massa inferiore e una ridotta efficienza del terzo dredge-up per le stelle TP-AGB più massicce, ovvero con massa iniziale maggiore di circa tre masse solari. Sulla base di quest'ultimo set di modelli ho presentato una completa caratterizzazione della popolazione AGB della Piccola Nube di Magellano in termini di parametri stellari, inclusi i tassi di perdita di massa previsti, i valori di massa iniziale e rapporto carbonio ossigeno. Ho utilizzato i modelli TP-AGB calibrati nella Piccola Nube di Magellano per simulare le variabili a lungo periodo nella Grande Nube di Magellano osservate da Gaia. Il notevole accordo tra modelli e osservazioni ha permesso di guidare l'interpretazione di un nuovo diagramma osservativo capace di distinguere fotometricamente gli stadi evolutivi, le masse iniziali e il tipo chimico di queste stelle. Nel contesto della collaborazione scientifica Large Synoptic Survey Telescope (LSST), ho prodotto cataloghi contenenti la fotometria sintetica delle Nubi di Magellano nei filtri di Gaia e LSST. Questi cataloghi, assieme alle simulazioni della Galassia, saranno rese disponibili alla comunità scientifica tramite NOAO Data Lab per aiutare a definire la strategia osservativa dei programmi "mini-survey" di LSST. Inoltre, ho simulato alcuni campioni di stelle AGB in galassie locali e ho trovato un buon accordo tra dati e modelli. Tuttavia, per poter considerare questi oggetti nella calibrazione dei modelli TP-AGB è necessario migliorare le simulazioni per tenere conto degli effetti del crowding e delle diverse regioni utilizzate per la derivazione della storia di formazione stellare e l'identificazione delle stelle AGB. I prodotti di questo lavoro, ovvero isocrone stellari calibrate e periodi di pulsazione delle variabili a lungo periodo, saranno resi pubblicamente disponibili per interpretare dati osservativi già disponibili e dati che verranno rilasciati dai futuri telescopi. I modelli TP-AGB calibrati potranno essere inclusi in modelli di sintesi di popolazione utilizzati per analizzare la luce integrata di galassie nell'Universo extragalattico.