M 51 中宇宙射线电子传播的建模

宇宙射线电子 (CREs) 是星际介质 (ISM) 的重要组成部分，并通过同步辐射被观测到。虽然针对银河系的 CRE 分布与传播已进行了大量建模，但对正常的外星系恒星形成星系却鲜有研究。来自新一代射电望远镜最近的频谱数据使我们能够对 CRE 传播进行更稳健的估计。我们利用含时扩散能量损失方程对 M 51 的同步辐射谱指数进行建模，并将模型结果与近期用 LOFAR 进行的低频观测所确定的观测谱指数进行比较。这是首次将该 CRE 传播模型用于求解外星系中由观测到的恒星形成率导出的真实 CRE 源分布。模型产生的同步辐射谱指数和尺度长度的径向变化与最近的 LOFAR 和较早的 VLA 观测数据以及用 GMRT 在 325MHz 获得的 M 51 新观测结果进行了比较。我们发现，仅通过扩散传播就足以重现 M 51 中观测到的谱指数分布。发现各向同性扩散系数取值 $6.6\pm0.2\,\times 10^{28}\mathrm{cm}^2\,\mathrm{s}^{-1}$ 拟合最佳，且与银河系中所见相似。我们估计从中心星系到延展盘中的逃逸时间为 $11\,\mathrm{Myr}$ 到 $88\,\mathrm{Myr}$。研究发现，对于 $0.01\,\mathrm{GeV}$--$3\,\mathrm{GeV}$ 范围内的 CRE 能量，扩散系数的能量依赖性并不重要。我们能够重现观测到的同步辐射尺度长度对频率的依赖性，在外盘为 $l \propto \nu^{-1/4}$，在内盘为 $l \propto \nu^{-1/8}$。