뿌리학습 · 중학 과학탐구
별의 성질과 우리은하, 우주의 팽창과 탐사
밤하늘의 별은 모두 비슷해 보이지만 거리도 밝기도 온도도 제각각이다. 이것들을 어떻게 알아낼 수 있을까.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
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개념 정리
먼저 거리다. 별까지의 거리를 재는 방법 중 하나가 연주시차를 이용하는 것이다.
연필을 눈앞에 세우고 한쪽 눈씩 번갈아 감아 보면 연필이 배경에 대해 좌우로 움직여 보인다. 보는 위치가 달라졌기 때문이다. 그리고 연필을 멀리 두면 그 움직임이 작아진다. 별도 마찬가지다. 지구가 태양 주위를 공전하므로 보는 위치가 달라지고, 그에 따라 가까운 별은 멀리 있는 배경 별들에 대해 위치가 조금 어긋나 보인다.
여기서 두 가지를 정확히 해야 한다. 첫째, 별이 실제로 움직이는 것이 아니라 지구가 움직여서 생기는 겉보기 변화다. 둘째, 이 관측은 지구 공전 궤도의 양 끝에서 해야 하므로 6개월 간격으로 두 번 관측한다.
그렇게 측정한 각도의 절반을 연주시차라고 하며, 단위는 각도를 아주 잘게 나눈 초를 쓴다. 그리고 가장 중요한 관계가 여기 있다. 가까운 별일수록 위치가 크게 어긋나 보이므로 연주시차가 크고, 먼 별일수록 작다. 연주시차와 거리는 반대로 움직인다.
이 관계를 이용하면 별까지의 거리를 구할 수 있다. 연주시차가 1초인 별까지의 거리를 1파섹이라고 정한다. 연주시차가 그 절반인 0.5초이면 거리는 2배인 2파섹이고, 연주시차가 10분의 1인 0.1초이면 거리는 10배인 10파섹이다. 연주시차가 작아진 만큼 거리는 멀어진다.
이 방법에는 한계도 있다. 아주 먼 별은 위치 변화가 너무 작아 측정하기 어렵기 때문에 비교적 가까운 별에만 쓸 수 있다.
다음은 밝기다. 별의 밝기는 등급으로 나타내는데, 여기서 가장 많이 틀리는 것이 방향이다. 등급은 숫자가 작을수록 밝다. 1등급 별이 6등급 별보다 밝고, 1등급보다 더 밝은 별은 0등급이나 마이너스 등급으로 나타낸다. 숫자가 크면 밝을 것 같지만 반대라는 점을 확실히 해 두자.
그런데 우리 눈에 밝게 보인다고 해서 그 별이 실제로 밝은 것은 아니다. 가까이 있으면 어두운 별도 밝게 보이고, 멀리 있으면 밝은 별도 어둡게 보이기 때문이다. 그래서 등급을 두 가지로 나눈다.
겉보기 등급은 지구에서 보이는 그대로의 밝기다. 거리의 영향을 받는다.
절대 등급은 모든 별을 10파섹이라는 똑같은 거리에 가져다 놓았다고 가정했을 때의 밝기다. 거리라는 조건을 없앴으므로 별들의 본래 밝기를 서로 비교할 수 있다. 절대 등급은 별의 크기를 나타내는 값이 아니라 밝기를 공정하게 비교하기 위한 값이다.
두 등급을 비교하면 거리를 짐작할 수 있다. 겉보기 등급이 절대 등급보다 크다면 실제보다 어둡게 보인다는 뜻이므로 멀리 있는 별이다. 반대로 겉보기 등급이 절대 등급보다 작다면 실제보다 밝게 보인다는 뜻이므로 가까이 있는 별이다. 두 값이 같다면 기준이 되는 거리인 10파섹에 있는 별이다.
이제 색과 온도다. 별의 색은 제각각인데 이것은 표면 온도를 나타낸다. 여기서도 방향을 조심해야 한다. 붉은 불꽃을 떠올려 붉은 별이 뜨겁다고 생각하기 쉽지만 별은 반대다. 표면 온도가 낮은 별이 붉게 보이고, 온도가 높아질수록 노란색, 흰색을 거쳐 파란색으로 보인다. 파란 별이 가장 뜨겁다.
지금까지 별 하나하나를 살펴보았다면, 이번에는 별들이 모여 이루는 큰 구조를 보자.
태양은 수많은 별과 함께 거대한 무리를 이루고 있는데, 이것을 우리은하라고 한다. 우리은하처럼 수많은 별과 가스, 먼지가 모여 이룬 거대한 집단을 은하라고 하며, 우주에는 우리은하 밖에도 셀 수 없이 많은 은하가 있다.
우리은하의 모양은 보는 방향에 따라 다르게 나타난다. 옆에서 보면 가운데가 볼록한 납작한 원반 모양이다. 위에서 보면 중심부에 막대 모양의 구조가 있고, 그 주변으로 나선팔이 소용돌이처럼 휘어져 뻗어 있는 모습이다. 이런 모양의 은하를 막대 나선 은하라고 한다. 다만 우리는 우리은하 안에 살고 있어서 전체 모습을 밖에서 찍을 수 없다. 교과서의 우리은하 그림은 안에서 관측한 자료와 다른 은하의 모습을 바탕으로 그린 모형이다.
은하의 크기처럼 아주 먼 거리를 나타낼 때는 광년이라는 단위를 흔히 쓴다. 1광년은 빛이 1년 동안 가는 거리다. 우리은하의 지름은 약 10만 광년이고, 태양계는 중심에서 약 2만 6천 광년 떨어진 원반 위, 나선팔 부근에 있다. 이 값들은 자료에 따라 조금씩 다르다.
맑은 밤하늘에서 보이는 희뿌연 띠를 은하수라고 한다. 은하수는 우리은하와 다른 천체가 아니다. 우리은하 안에 있는 지구에서 원반 방향을 바라보면 수많은 별이 겹쳐 띠처럼 보이는데, 이것이 은하수다. 태양계가 중심에 있지 않기 때문에 은하수는 하늘을 가로지르는 한 줄기 띠로 보이고, 은하 중심 방향인 궁수자리 쪽에서 더 두껍고 밝게 보인다. 우리나라에서는 이 방향이 여름철 밤하늘에 놓이므로 여름에 은하수가 더 뚜렷하게 보인다.
우리은하 안에는 별만 있는 것이 아니다. 망원경으로 보면 뿌옇게 보이는 천체들이 있는데, 크게 성운과 성단으로 나뉜다. 둘은 겉보기가 비슷해도 무엇이 모였는지가 다르다.
성운은 가스와 먼지가 구름처럼 모여 있는 것이다. 성운은 보이는 방식에 따라 나눈다. 가까이 있는 뜨거운 별의 에너지를 받아 성운의 가스가 스스로 빛을 내는 것을 방출 성운, 주변 별빛을 반사해 보이는 것을 반사 성운, 뒤쪽에서 오는 빛을 가려 어둡게 보이는 것을 암흑 성운이라고 한다. 성운의 가스와 먼지가 모여 새로운 별이 만들어지기도 한다.
성단은 별들이 무리를 지어 모여 있는 것이다. 산개 성단은 수십에서 수천 개 정도의 별이 비교적 엉성하게 모여 있고, 구상 성단은 수천에서 수십만 개가 넘는 별이 공 모양으로 빽빽하게 모여 있다. 별의 수는 성단마다, 자료마다 차이가 있다. 두 성단은 별의 색에서도 차이가 난다. 산개 성단에는 비교적 젊고 표면 온도가 높은 파란 별이 많고, 구상 성단에는 나이가 많고 표면 온도가 낮은 붉은 별이 많다. 앞에서 배운 별의 색과 표면 온도의 관계가 여기서 쓰인다. 분포하는 곳도 달라서, 산개 성단은 주로 우리은하의 원반에 있고 구상 성단은 주로 원반 위아래를 포함해 은하 중심부를 둘러싼 공 모양의 넓은 공간에 퍼져 있다.
이제 우주 전체를 보자. 우주는 팽창하고 있다. 멀리 있는 은하들을 관측하면 대부분 우리에게서 멀어지고 있고, 더 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다.
이것을 폭발한 물체의 파편이 중심에서 바깥으로 날아가는 모습으로 상상하기 쉬운데, 그런 그림은 오해를 부른다. 우주에는 특별한 중심이 없다. 은하가 공간 속을 이동하는 것이 아니라 공간 자체가 늘어나면서 은하 사이의 거리가 멀어지는 것이다.
풍선으로 이 모습을 흉내 낼 수 있다. 풍선 표면에 스티커를 여러 개 붙이거나 점을 찍고 바람을 불어넣으면 그 사이의 거리가 모두 멀어진다. 어느 점에서 보아도 다른 점들이 멀어지므로 특별한 중심이 없다. 그리고 멀리 있는 점일수록 더 빠르게 멀어진다.
이 모형을 볼 때 주의할 점이 있다. 우주에 해당하는 것은 풍선의 표면이지 풍선 속 공간이 아니다. 점은 은하이고, 표면이 늘어나는 것이 공간의 팽창에 해당한다.
마지막으로 인류가 우주를 어떻게 탐사하고 있는지 보자. 지금까지 배운 별과 은하, 우주의 팽창에 관한 지식도 대부분 이런 탐사로 얻은 것이다.
우주를 탐사하는 방법은 여러 가지다. 지상에 세운 망원경으로 관측하기도 하고, 망원경을 우주에 올려 관측하기도 한다. 우주 망원경을 쓰는 주된 이유는 천체에 더 가까이 가기 위해서가 아니다. 지구의 대기는 별빛을 흔들고 일부 빛을 흡수하므로, 대기 밖에서 관측하면 더 선명한 모습과 지상에서 보기 어려운 빛까지 볼 수 있다. 이 밖에 지구 주위를 도는 인공위성, 달이나 행성에 가까이 가거나 내려앉아 조사하는 탐사선, 사람이 머물며 실험하는 우주 정거장이 있다. 대부분의 탐사는 사람이 타지 않은 장비로 이루어진다. 우리나라도 2022년에 달 궤도 탐사선 다누리를 발사해 달을 관측해 왔다. 탐사 계획을 세울 때는 무엇을 알아내려는지를 먼저 정하고, 그 목적에 맞는 방법을 고른다. 예를 들어 행성의 표면을 가까이에서 자세히 조사하려면 탐사선이, 멀리 있는 천체를 대기의 방해 없이 관측하려면 우주 망원경이 알맞다.
우주 탐사는 과학 지식을 넓히는 데 그치지 않는다. 일기 예보에 쓰이는 기상 위성, 먼 곳을 이어 주는 통신 위성, 지도 앱의 위치 확인에 쓰이는 위성 항법 시스템의 위성처럼 우주 기술은 이미 생활 곳곳에 들어와 있다. 탐사 장비를 만들기 위해 개발한 소재와 기술이 의료나 생활용품 같은 다른 분야에 쓰이기도 한다.
한편 우주 탐사에는 많은 비용이 들고, 수명이 다한 인공위성이나 발사체의 조각 같은 우주 쓰레기가 늘어나 다른 위성과 부딪칠 위험을 키우는 문제도 있다. 그래서 우주 탐사의 가치를 판단할 때는 좋은 점이나 문제점 한쪽만 볼 것이 아니라, 무엇을 얻고 무엇이 드는지를 사례와 근거를 들어 함께 따져 보아야 한다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과15-01]연주시차를 이용하여 별까지의 거리를 구할 수 있고, 별의 등급과 밝기의 관계 및 표면 온도와 색의 관계를 설명할 수 있다.
- [9과15-02]우리은하의 구조와 크기를 이해하고, 성운과 성단의 특징을 비교할 수 있다.
- [9과15-03]모형을 이용하여 우주가 팽창하고 있음을 설명할 수 있다.
- [9과15-04]우주탐사의 의의와 인류에게 미치는 영향을 조사하여 과학의 유용성을 인식할 수 있다.
자주 하는 착각
연주시차와 거리
- 연주시차가 클수록 별이 멀다고 본다. 값이 크면 크기도 클 것 같기 때문이다. 연주시차와 거리는 반대로 움직인다. 가까운 별일수록 위치가 크게 어긋나 보여 연주시차가 크다.
- 연주시차를 별이 실제로 움직인 정도로 본다. 위치가 달라져 보이기 때문이다. 별은 제자리에 있고 지구가 공전하면서 보는 위치가 달라져 생기는 겉보기 변화다.
- 연주시차를 아무 때나 두 번 관측해 구할 수 있다고 본다. 두 지점에서 보면 된다고 생각하기 때문이다. 지구 공전 궤도의 양 끝에서 보아야 하므로 6개월 간격으로 관측해야 한다.
- 연주시차로 모든 별의 거리를 구할 수 있다고 본다. 방법을 배웠으니 다 된다고 생각하기 때문이다. 아주 먼 별은 위치 변화가 너무 작아 측정하기 어려워 이 방법을 쓸 수 없다.
등급과 밝기, 색과 온도
- 등급의 숫자가 클수록 밝다고 본다. 큰 수가 크다는 뜻으로 읽히기 때문이다. 등급은 반대다. 숫자가 작을수록 밝고, 1등급보다 밝은 별은 0등급이나 음수 등급으로 나타낸다.
- 겉보기 등급이 별의 실제 밝기라고 본다. 우리 눈에 보이는 것이 그 별의 밝기라고 생각하기 때문이다. 겉보기 등급은 지구에서 보이는 밝기이고, 거리의 영향을 받는다. 실제로 밝은 별도 멀리 있으면 어둡게 보인다.
- 절대 등급을 별의 크기로 본다. 절대라는 말이 별 자체의 성질을 뜻하는 것으로 읽히기 때문이다. 절대 등급은 모든 별을 10파섹이라는 같은 거리에 두었다고 가정했을 때의 밝기다. 크기가 아니라 밝기를 비교하기 위한 값이다.
- 겉보기 등급과 절대 등급의 차이가 크면 무조건 멀다고 본다. 차이를 거리와 곧바로 연결하기 때문이다. 겉보기 등급이 절대 등급보다 크면 멀고, 작으면 가깝다. 차이의 크기만이 아니라 어느 쪽이 큰지를 함께 보아야 한다.
- 붉은 별이 더 뜨겁다고 본다. 불이 붉고 뜨겁다는 경험 때문이다. 별은 반대다. 표면 온도가 낮은 별이 붉게 보이고 높은 별이 파랗게 보인다.
우주의 팽창
- 우주가 팽창한다는 것을 은하들이 어떤 중심에서 바깥으로 날아간다는 뜻으로 본다. 폭발 장면을 떠올리기 때문이다. 특별한 중심이 있는 것이 아니라 공간 자체가 늘어나며, 어느 은하에서 보아도 다른 은하들이 멀어지는 것으로 관측된다.
- 은하 사이의 거리가 멀수록 멀어지는 속도가 느리다고 본다. 멀면 영향이 약할 것 같기 때문이다. 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다.
- 풍선 모형에서 풍선의 고무가 우주이고 그 안쪽 공간도 우주라고 본다. 풍선이 부풀면 속이 커지기 때문이다. 모형에서 우주에 해당하는 것은 풍선의 표면이다. 표면 위의 점들이 은하이고, 표면이 늘어나면서 점 사이의 거리가 멀어진다.
우리은하와 은하수
- 은하수와 우리은하를 같은 것으로 본다. 이름이 비슷하고 둘 다 별이 모인 것으로 배우기 때문이다. 우리은하는 태양계가 속한 거대한 별의 집단 전체이고, 은하수는 그 안에 있는 지구에서 원반 방향을 바라볼 때 보이는 희뿌연 띠다. 우리은하를 안에서 본 모습의 일부가 은하수다.
- 태양계가 우리은하의 중심에 있다고 본다. 우리가 사는 곳을 기준으로 생각하기 때문이다. 태양계는 중심에서 꽤 떨어진 원반 위, 나선팔 부근에 있다. 그래서 은하수가 하늘을 가로지르는 한 줄기 띠로 보이고, 중심 방향인 궁수자리 쪽에서 더 두껍고 밝게 보인다.
- 교과서에 실린 우리은하의 전체 모습을 밖에서 찍은 사진으로 본다. 다른 은하의 사진과 나란히 실리기 때문이다. 우리는 우리은하 안에 있어 전체를 밖에서 찍을 수 없다. 우리은하의 전체 모습은 안에서 관측한 자료와 다른 은하의 모습을 바탕으로 그린 모형이다.
- 우리은하를 공처럼 둥근 모양으로 본다. 별이 모인 덩어리를 떠올리기 때문이다. 옆에서 보면 가운데가 볼록한 납작한 원반 모양이고, 위에서 보면 중심부의 막대 모양 구조와 그 주변으로 휘어져 뻗어 있는 나선팔이 있는 모습이다.
성운과 성단
- 성운과 성단을 같은 것으로 본다. 망원경으로 보면 둘 다 뿌옇게 뭉친 모습이기 때문이다. 성운은 가스와 먼지가 구름처럼 모인 것이고, 성단은 별들이 무리를 지어 모인 것이다. 무엇이 모였는지가 기준이다.
- 성운이 모두 스스로 빛을 낸다고 본다. 밝게 빛나는 성운 사진이 많기 때문이다. 가까운 뜨거운 별의 에너지를 받아 성운의 가스가 빛을 내는 방출 성운, 주변 별빛을 반사해 보이는 반사 성운, 뒤쪽의 빛을 가려 어둡게 보이는 암흑 성운이 있다. 성운이 보이는 방식은 한 가지가 아니다.
- 산개 성단과 구상 성단의 차이를 별의 개수로만 기억한다. 이름과 모양에 먼저 눈이 가기 때문이다. 별의 수와 모양 외에 별의 색과 나이, 분포하는 위치도 다르다. 대체로 산개 성단에는 비교적 젊고 파란 별이, 구상 성단에는 나이가 많고 붉은 별이 많다. 별의 색이 표면 온도를 나타낸다는 앞의 내용과 이어진다.
- 두 성단이 우리은하 안의 같은 곳에 섞여 있다고 본다. 둘 다 성단이라 비슷한 곳에 있을 것 같기 때문이다. 산개 성단은 주로 은하 원반에, 구상 성단은 주로 원반 위아래를 포함해 은하 중심부를 둘러싼 공 모양의 넓은 공간에 분포한다.
우주 탐사
- 우주 탐사는 먼 우주를 연구하는 일일 뿐 생활과는 관계가 없다고 본다. 탐사선이 먼 행성으로 가는 장면이 먼저 떠오르기 때문이다. 일기 예보, 통신, 위치 확인에 쓰이는 인공위성이 우주 기술로 가능해졌고, 탐사를 위해 개발된 기술이 다른 분야에 쓰이기도 한다.
- 우주 망원경을 우주에 올리는 이유를 천체에 더 가까이 가기 위해서라고 본다. 가까울수록 잘 보인다는 경험 때문이다. 망원경을 올리는 높이는 천체까지의 거리에 비하면 아주 작다. 주된 이유는 대기의 방해 없이 관측하기 위해서다. 대기는 별빛을 흔들고 일부 빛을 흡수한다.
- 우주 탐사는 사람이 직접 가야 하는 일이라고 본다. 우주인의 모습이 먼저 떠오르기 때문이다. 대부분의 탐사는 사람이 타지 않은 탐사선과 인공위성, 망원경으로 이루어진다.
- 우주 탐사가 좋은 영향만 준다고 보거나, 반대로 쓸모없는 낭비라고만 본다. 한쪽 사례만 접하기 때문이다. 우주 탐사는 과학 지식과 생활 기술에 기여하지만 많은 비용이 들고 우주 쓰레기 같은 문제도 만든다. 판단하려면 얻는 것과 드는 것을 같은 기준으로 비교해야 한다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
연주시차가 클수록 지구에서 별까지의 거리가 멀다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
값이 크면 거리도 클 것 같다고 느끼기 쉬워요. 그러나 실제로는 가까운 별일수록 지구에서 보았을 때 위치가 더 크게 어긋나 보이기 때문에 연주시차가 더 크게 측정돼요. 즉, 연주시차와 거리는 반대 방향으로 움직여서, 연주시차가 클수록 별은 오히려 더 가까이 있어요.
연주시차는 지구가 공전하면서 보는 위치가 달라져 별이 겉보기에 움직여 보이는 정도를 나타낸다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
별의 위치가 달라져 보이다 보니 별 자체가 움직인 것이라고 생각하기 쉬워요. 실제로는 별은 제자리에 있고, 지구가 태양 주위를 공전하면서 관측 위치가 달라지기 때문에 별이 움직여 보이는 것처럼 느껴지는 겉보기 변화예요.
연주시차는 어느 두 지점에서든 관측 시기에 상관없이 두 번만 관측하면 구할 수 있다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
별의 시차를 구할 때 '두 지점에서 관측한다'는 점에 집중하다 보면, 어느 시기든 두 번만 보면 된다고 생각하기 쉬워요. 하지만 연주시차는 지구 공전 궤도의 지름을 기선으로 삼아야 하므로, 지구가 궤도의 정반대 위치에 있을 때, 즉 6개월 간격으로 관측해야 올바르게 측정할 수 있어요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반