In this work, observations and 3D numerical modelling of radio emission of nearby galaxies at low radio frequencies are presented. Using LOFAR interferometer a nearby galaxy NGC6946 was observed for the first time at 144 MHz. I report a discovery of a large synchrotron envelope extending out to radius of 18 kpc, i.e. further than the optical and high-frequency radio emission of this object. Analysis of the envelope emission indicates existence of population of low-energy cosmic-ray electrons (CREs), which can be transported by diffusion far away from their acceleration sites in spiral arms. Furthermore, the radial profile of synchrotron emission of NGC6946 at 144 MHz reveals two breaks. The first break at radius of about 3 kpc corresponds with the transition between thin and thick galactic disks, while the second one between the inner and outer disks at about 9 kpc, can be ascribed to sudden disappearance of star-forming regions and sources of CREs. The integrated spectrum of NGC6946 does not flatten towards low frequencies, excluding strong free-free absorption, while the local spectrum from the central parts reveals a spectral turnover below 300MHz, indicating local absorption presumably caused by ionized gas within HII complexes. For a better understanding of the low-frequency radio spectra, I developed a 3D numerical model of emission of star-forming galaxies, including the radiative transfer equation and taking into account the projection effects. I show that the modelling of radio emission from galaxies in the simple form of well-mixed thermal and synchrotron media is not sufficient to reproduce the actual spectra of galaxies. It is necessary to introduce galactic halos, their size, intensity, and synchrotron spectral index, strongly influence the model spectra. The clumpy ionized gas with different filling factor introduced in the model, can further affect the modelled galactic spectra, however, it does not change the frequency of the spectral turnover caused by free-free absorption. Subsequently a thorough modelling of M51- and M82-like galaxies was performed. The modelled integrated spectra ofM51-like galaxies predict the free-free absorption effects to appear only at frequencies below of 20MHz, while in the spectra of starburst galaxies, such as M82, a flattening due to absorption is visible between 200 - 400MHz, depending on the inclination angle. The curvature of synchrotron spectrum introduced in modelling, can explain the apparent contradiction between the free-free absorption effects observed in the starburst galaxies and the lack of correlation between the curvature of radio spectra and the viewing angle of the typical galaxies. Furthermore, M51-like galaxies with simple power-law-like integrated spectra, can locally reveal significantly curved spectra. Therefore, interpretation of integrated spectra of galaxies cannot be carried out properly without supplementary data on the properties of the local interstellar medium within the galaxies. According to my modelling, the effects of free-free absorption can be distinctly seen in the local spectra from the central parts of the M51-like galaxies as turnovers around 100 - 200MHz in the edge-on ones, and as less distinct turnovers below 100MHz with spectral rising towards low frequencies for the low-inclined objects. Much stronger effects can be seen in the local spectra from the core of M82-like galaxies as strong turnovers at frequencies about 1000MHz for the highly inclined galaxies, and about 500MHz for the weakly inclined galaxies. Consequently, it is possible to observe much stronger effects of free-free absorption in more distant galaxies with higher star-formation rates. The presented modelling predicts also a possible influence of the Milky Way foreground ionized gas on all external galactic spectra at frequencies below 10 MHz. Such an effect could only be confirmed using observations with radio interferometers located in space or ideally on the surface of the Moon, far away from the influence of the Earth's ionosphere and electromagnetic pollution.
W niniejszej pracy przedstawione są obserwacje i trójwymiarowe (3D) modelowanie numeryczne emisji radiowej bliskich galaktyk na niskich częstotliwościach radiowych. Używając interferometru LOFAR po raz pierwszy przeprowadzono obserwacje galaktyki NGC6946 na częstotliwości 144 MHz. Ujawniły one rozległą otoczkę synchrotronową, rozciągającą się aż do promienia 18 kpc, tj. dalej niż emisja optyczna galaktyki i jej wysokoczęstotliwościowa emisja radiowa. Analiza świecenia tej otoczki wskazuje na istnienie populacji nisko-energetycznych elektronów promieniowania kosmicznego (EPK), które w procesie dyfuzji przemieszczają się daleko od miejsc ich przyśpieszania w ramionach spiralnych. Ponadto profil radialny emisji synchrotronowej NGC 6946 na częstotliwości 144MHz uwidocznił dwa załamania. Pierwsze załamanie, na promieniu około 3 kpc, odpowiada przejściu pomiędzy tzw. cienkim a grubym dyskiem galaktyki. Natomiast drugie załamanie, pomiędzy wewnętrznym a zewnętrznym dyskiem, w odległości około 9 kpc od jądra można wyjaśnić nagłym zanikiem obszarów gwiazdotwórczych oraz źródeł EPK. Zintegrowane widmo radiowe NGC6946 nie pokazuje wypłaszczenia w kierunku niskich częstotliwości co wyklucza silną absorpcję termiczną. Natomiast lokalne widmo, z centralnej części galaktyki załamuje się poniżej 300MHz wskazując na lokalną absorpcję, prawdopodobnie spowodowaną zjonizowanym gazem w kompleksach HII. W celu lepszego zrozumienia niskoczęstotliwościowych widm radiowych, stworzyłem numeryczny model 3D emisji gwiazdotwórczych galaktyk, który uwzględnia równanie transferu promieniowania radiowego biorąc pod uwagę efekty projekcji. Okazuje się, że prosty model galaktyki w formie dobrze wymieszanego termicznego i synchrotronowo świecącego ośrodka nie jest w stanie odtworzyć rzeczywistych widm galaktyk. Potrzebne jest uwzględnienie galaktycznego halo, jego rozmiar, natężenie oraz synchrotronowy indeks spektralny, silnie wpływają na wyniki modelowania. Wprowadzenie zjonizowanego gazu w formie kłaczkowatej, o różnym współczynniku wypełnienia również wpływa na modelowane widma galaktyk, ale nie zmienia ono załamań w widmach spowodowanych absorpcją termiczną. Następnie wykonane zostało kompleksowe modelowanie galaktyk podobnych do M51 i M82. Modelowe zintegrowane widma galaktyk typu M51 przewidują efekty absorpcji termicznej tylko poniżej częstotliwości 20MHz. Natomiast w galaktykach o silnej aktywności gwiazdotwórczej, jak M82, załamania widm spowodowane absorpcją termiczną widoczne są pomiędzy 200 a 400MHz, w zależności od nachylenia dysku galaktyki. Poprzez wprowadzenie do modelowania zakrzywionych widm synchrotronowych udało się wyjaśnić pozorną sprzeczność pomiędzy obserwowanymi silnymi efektami absorpcji termicznej w galaktykach silnych gwiazdotwórczo, a brakiem korelacji pomiędzy krzywizną widm radiowych a nachyleniem dysków dla typowych galaktyk. Ponadto modele pokazują, że obiekty typu M51, które charakteryzują się prostym zintegrowanym widmem potęgowym, mogą lokalnie ujawniać znacząco zakrzywione widma. Dlatego interpretacja zintegrowanych widm radiowych galaktyk nie może być właściwie przeprowadzona bez uzupełniających danych o lokalnych własnościach ośrodka międzygwiazdowego. Zgodnie z moim modelowaniem, efekty absorpcji termicznej są wyraźnie widoczne w (lokalnych) widmach centralnych części galaktyk typu M51, jako załamania pomiędzy 100 a 200MHz dla silnie nachylonych dysków galaktyk. Natomiast dla galaktyk o mniejszym nachyleniu dysku widoczne są mniej wyraźne załamania widma poniżej 100MHz z podnoszącym się widmem ku niższym częstotliwościom. Znacznie silniejsze efekty absorpcji widoczne są w widmach z jądra galaktyk typu M82 oglądanych pod dużym kątem, jako wyraźne załamania na częstotliwości około 1000MHz. Dla mniej nachylonych dysków tych galaktyk załamania widm występują na około 500MHz. W konsekwencji, możliwe jest zaobserwowanie znacznie silniejszych efektów absorpcji promieniowania w odległych galaktykach z silniejszymi procesami gwiazdotwórczymi. Przedstawione modelowanie przewiduje również możliwy wpływ zjonizowanego gazu Drogi Mlecznej na widma radiowe wszystkich galaktyk obserwowanych poniżej 10MHz. Taki efekt absorpcji może zostać potwierdzony jedynie w obserwacjach wykonanych interferometrami radiowymi umieszczonymi w przestrzeni kosmicznej, a najlepiej na powierzchni Księżyca, z dala od wpływu ziemskiej jonosfery i zanieczyszczeń elektromagnetycznych.
