융합과학/우주의 기원과 진화/우주의 기원

우주의 기원

우주의 기원 단원에서는 우주의 팽창, 허블의 법칙, 선스펙트럼, 우주의 나이를 다룬다.^[1]

은하의 발견

우리 은하

우리 은하의 모습

우리 은하(우리銀河, Milky Way Galaxy)는 태양계가 포함된 은하로, 태양을 포함한 별이 약 2천억 개가 중력으로 묶여 있는 거대한 천체 구조이다.^[2] 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564년 2월 15일 ~ 1642년 1월 8일)가 천체 망원경을 사용하여 은하수를 관측하여 은하가 많은 별들이 모여 있다는 것을 알아냈다.^[2] 하지만 은하수 이외 안드로메다 은하와 같은 나선형 구조를 가진 천체들이 우리 은하 내부에 있는 천체인지 외부에 있는 천체인지는 알 수가 없었고, 이에 따라 우리 은하의 크기와 나선형 구조를 가진 천체까지의 거리를 계산할 필요성이 느껴졌다.

천체의 거리 측정

천체의 거리는 연주 시차, 겉보기 등급과 절대 등급의 비교, 세페이드 변광성의 주기 측정 등을 이용하여 구할 수 있다.^[2]

1{\mbox{pc}}

은 연주 시차가

1''

일 때 지구에서 별까지의 거리이다.

지구상의 관측자가 어떤 전체를 바라보았을 대 지구의 공전에 따라 생기는 각(시차)를 연주 시차(年周視差, Stellar parallax)라고 한다.^[3] 즉, 연주 시차는 태양을 공전하는 지구에서 어떤 별의 위치 변화량의 시차를 관측했을 때 그 값의 $1 \over 2$ 이 연주 시차이다.^[2] 연주 시차가 $1''$ 일 때 지구에서 별까지의 거리를 $1{\mbox{pc}}$ (파섹)이라고 하며, $1{\mbox{pc}}$ 은 약 $3.08567758\times 10^{16}{\mbox{m}}$ 이다.^[2] 지구에서 별까지의 거리가 멀어질수록 연주 시차( $p$ )는 작아지고 거리가 가까워질수록 연주 시차가 커지는 점을 이용하여 천체의 거리를 추측할 수 있다.^[2]

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눈으로 보았을 때의 별의 밝기를 등급에 따라 나타낸 단위를 겉보기 등급(겉보기等級, Apparent magnitude)이라고 한다.^[2] 별이 $10{\mbox{pc}}$ 떨어져 있다고 가정했을 때의 밝기를 나타낸 단위를 절대 등급(絶對等級, Absolute magnitude)이라고 한다.^[2] 별의 밝기는 거리의 제곱에 반비례하며, 겉보기 등급과 절대 등급의 등급이 낮을수록 밝인 별임을 의미한다.^[2] 겉보기 등급과 절대 등급이 같은 별은 거리가 $10{\mbox{pc}}$ 에 있는 별이며, 겉보기 등급이 절대 등급보다 큰 별은 $10{\mbox{pc}}$ 보다 멀리 있는 별이며, 절대 등급이 겉보기 등급보다 작은 별은 $10{\mbox{pc}}$ 보다 가까이 있는 별이다.^[2] 겉보기 등급과 절대 등급의 차이가 클수록 별의 거리가 $10{\mbox{pc}}$ 을 기준으로 멀어지며, 겉보기 등급과 절대 등급의 차이가 작을수록 별의 거리가 $10{\mbox{pc}}$ 에 가까워진다.^[2] 겉보기 등급과 절대 등급의 비교를 이용하여 천체의 거리를 추측할 수 있는데, 지구와 별 사이의 거리를 $r$ , 별의 겉보기 등급을 $m$ , 절대 등급을 $M$ 이라고 하면 그 관계는 아래와 같다.^[4]

$m-M=5\log {r}-5$

세페이드 변광성

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밝기가 주기적으로 변하는 별을 변광성(變光星, Variable star)이라고 하고,^[5] 그 중 별의 내부가 불안정하여 팽창과 수축을 반복하여 밝기가 밝아졌다 어두워졌다하는 항성을 맥동 변광성(脈動變光星, Pulsating star)이라고 한다.^[6] 맥동 변광성 중 밝기가 수일에서 100일 이내의 주기로 밝기가 변하는 항성을 세페이드 변광성(세페이드變光星, Cepheid variable)이라고 한다.^[4] 세페이드 변광성은 밝기 변화가 주기적이고 규칙적으로 일어나기 때문에 주기와 광도의 관계를 이용하여 천체의 거리를 추측할 수 있다.^[4] 세페이드 변광성의 변광 주기가 길수록 별의 밝기가 밝다.^[7]

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즉, 세페이드 변광성의 겉보기 등급과 변광 주기를 측정하여 변광 주기와 절대 등급의 관계를 이용하여 절대 등급을 계산한 후, 겉보기 등급과 절대 등급을 비교하여 거리를 계산하여 추측할 수 있다.^[7] 이러한 방법을 이용하여 우리 은하에 있는 구상 성단들의 거리를 구한 후 이들의 공간 분포를 조사한 결과, 우리 은하의 반지름은 약 5만 광연이며, 태양은 우리 은하 중심에서 약 3만 광년 떨어져 있다는 것을 알아냈다.^[7] 1923년에 에드윈 파월 허블(Edwin Powell Hubble, 1889년 11월 20일 ~ 1953년 9월 28일)이 안드로메다 은하에 있는 세페이드 변광성을 관측하고 거리를 계산하여, 안드로메다 은하가 우리 은하 외부에 있다는 사실을 밝혀냈으며, 나선형 구조를 가진 천체 구조들은 모두 우리 은하 외부에 있는 은하라는 사실도 밝혀냈다.^[7]

빛의 스펙트럼과 도플러 효과

스펙트럼

백색광을 프리즘에 통과시킨 모습

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연속 스펙트럼

방출 스펙트럼의 형태(수소 선 스펙트럼)

프리즘이나 분광기 등의 도구를 통해 빛깔에 따라 분해해서 살펴볼 수 있는데, 이러한 띠를 스펙트럼(Spectrum)이라고 한다.^[7]^[8] 스펙트럼은 백색광을 프리즘으로 통과시키거나 분광기로 분석하면 하거나 무지개처럼 빛이 넓은 파장에 걸쳐 연속적으로 색의 띠를 나타내는 데 이것을 연속 스펙트럼(連續스펙트럼, Continuous spectrum)이라고 한다.^[9]^[7]^[10] 연속적이지 않고 불연속적인 선들이 나타난 스펙트럼을 선 스펙트럼(線스펙트럼, Line spectrum)이라고 하는데,^[11] 선 스펙트럼은 특정한 파장에 대해서 선 형태로 나타내는 스펙트럼이다.^[12] 특정 파장에서 밝은 선으로 나타나는 형태의 선 스펙트럼을 방출 스펙트럼(放出스펙트럼, Emission spectrum)이라고 하고, 이때 나타난 밝은 선을 방출선(放出線, Emission line)이라고 한다.^[12] 또한 특정 파장에서 어두운 선으로 나타나는 형태의 선 스펙트럼을 흡수 스펙트럼(吸收스펙트럼, Absorption spectrum)이라고 하고, 이때 나타난 어두운 선을 흡수선(吸收線, Absorption line)이라고 한다.^[12]^[13] 별빛을 연속 스펙트럼을 관찰하면 흡수 수펙트럼이 관찰되는데,^[14] 이는 별에서 방출된 빛이 대기나 성운을 통화하면서 기체에 의해 특정 파장의 빛이 흡수되기 때문에 나타난다.^[13] 이때 관찰되는 흡수선의 위치와 개수, 선의 굵기 등을 분석하여 어떤 별을 구성하는 물질의 성분, 별의 표면 온도, 밀도 등을 추측할 수 있다.^[13]

각주

↑ (2015) 《교육과학기술부 고시 제 2015-74호 [별책 9] 과학과 교육과정》. 대한민국 교육부, 245쪽
↑ ^2.00 ^2.01 ^2.02 ^2.03 ^2.04 ^2.05 ^2.06 ^2.07 ^2.08 ^2.09 ^2.10 고현덕, 김명하, 김영준, 배미정, 임태훈, 최선영, 최승규 (2011). 《기본과 특별한 고등 과학》. 한국교육방송공사, 8쪽
↑ “연주시차”. 《두피디아》. 두산.
↑ ^4.0 ^4.1 ^4.2 김대규, 김성진, 문연호, 박정일, 배미정, 이진우, 최승규, 한인옥 (2011). 《HIGH TOP 고등학교 과학》, 1, 두산동아, 8쪽
↑ “변광성”. 《두피디아》. 두산.
↑ 월간 하늘 편집부. (2002). “백동변광성”. 《천문학 작은사전》. 가람기획.
↑ ^7.0 ^7.1 ^7.2 ^7.3 ^7.4 ^7.5 고현덕, 김명하, 김영준, 배미정, 임태훈, 최선영, 최승규 (2011). 《기본과 특별한 고등 과학》. 한국교육방송공사, 9쪽
↑ “스펙트럼”. 《두피디아》. 두산.
↑ “연속스펙트럼”. 《두피디아》. 두산.
↑ 김대규, 김성진, 문연호, 박정일, 배미정, 이진우, 최승규, 한인옥 (2011). 《HIGH TOP 고등학교 과학》, 1, 두산동아, 14쪽
↑ “선스펙트럼”. 《두피디아》. 두산.
↑ ^12.0 ^12.1 ^12.2 조경주, 이진우, 김진성, 김은경, 박용선, 조향숙, 배미정 (2011). 《완자 고등 과학》. 비상교육, 10쪽. ISBN 9788964163573
↑ ^13.0 ^13.1 ^13.2 조경주, 이진우, 김진성, 김은경, 박용선, 조향숙, 배미정 (2011). 《완자 고등 과학》. 비상교육. ISBN 9788964163573
↑ 고현덕, 김명하, 김영준, 배미정, 임태훈, 최선영, 최승규 (2011). 《기본과 특별한 고등 과학》. 한국교육방송공사, 10쪽

참고 문헌

(2011) 《교육과학기술부 고시 제 2011-361호 [별책 9] 과학과 교육과정》. 대한민국 교육과학기술부
대한민국 교육부 (2015). 《교육부 고시 제2015-74호 [별책 9] 과학과 교육과정》. 대한민국 교육부
전동렬, 홍훈기, 전상학, 박영도, 김호련, 유영선, 오소라, 김규태, 권오성, 심정규, 문무현, 김호성, 김현정, 김현희 (2011). 《고등학교 과학》. 미래엔
고현덕, 김명하, 김영준, 배미정, 임태훈, 최선영, 최승규 (2011). 《기본과 특별한 고등 과학》. 한국교육방송공사. ISBN 9788954719162
김대규, 김성진, 문연호, 박정일, 배미정, 이진우, 최승규, 한인옥 (2011). 《HIGH TOP 고등학교 과학》. 두산동아. ISBN 9788900294965
조경주, 이진우, 김진성, 김은경, 박용선, 조향숙, 배미정 (2011). 《완자 고등 과학》. 비상교육. ISBN 9788964163573

[교육과학기술부-1] (2015) 《교육과학기술부 고시 제 2015-74호 [별책 9] 과학과 교육과정》. 대한민국 교육부, 245쪽

[기특한_8-2] 2.00 ^2.01 ^2.02 ^2.03 ^2.04 ^2.05 ^2.06 ^2.07 ^2.08 ^2.09 ^2.10 고현덕, 김명하, 김영준, 배미정, 임태훈, 최선영, 최승규 (2011). 《기본과 특별한 고등 과학》. 한국교육방송공사, 8쪽

[3] “연주시차”. 《두피디아》. 두산.

[하이탑_8-4] 4.0 ^4.1 ^4.2 김대규, 김성진, 문연호, 박정일, 배미정, 이진우, 최승규, 한인옥 (2011). 《HIGH TOP 고등학교 과학》, 1, 두산동아, 8쪽

[5] “변광성”. 《두피디아》. 두산.

[6] 월간 하늘 편집부. (2002). “백동변광성”. 《천문학 작은사전》. 가람기획.

[기특한_9-7] 7.0 ^7.1 ^7.2 ^7.3 ^7.4 ^7.5 고현덕, 김명하, 김영준, 배미정, 임태훈, 최선영, 최승규 (2011). 《기본과 특별한 고등 과학》. 한국교육방송공사, 9쪽

[8] “스펙트럼”. 《두피디아》. 두산.

[9] “연속스펙트럼”. 《두피디아》. 두산.

[하이탑_14-10] 김대규, 김성진, 문연호, 박정일, 배미정, 이진우, 최승규, 한인옥 (2011). 《HIGH TOP 고등학교 과학》, 1, 두산동아, 14쪽

[11] “선스펙트럼”. 《두피디아》. 두산.

[완자_10-12] 12.0 ^12.1 ^12.2 조경주, 이진우, 김진성, 김은경, 박용선, 조향숙, 배미정 (2011). 《완자 고등 과학》. 비상교육, 10쪽. ISBN 9788964163573

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[기특한_10-14] 고현덕, 김명하, 김영준, 배미정, 임태훈, 최선영, 최승규 (2011). 《기본과 특별한 고등 과학》. 한국교육방송공사, 10쪽

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