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중학교 3학년 (14-15세)

은하와 우주 팽창

Galaxies and the Expanding Universe

맑은 시골 밤하늘을 가로지르는 희뿌연 띠, 은하수는 우리가 속한 우리은하를 안쪽에서 비스듬히 본 모습이에요. 은하는 수천억 개의 별과 가스, 먼지가 중력으로 묶인 거대한 집단이고, 생김새에 따라 나선 은하, 타원 은하, 불규칙 은하로 나눠요. 멀리 있는 은하들은 거의 모두 우리에게서 멀어지고 있어요. 은하가 우주 공간을 날아가는 것이 아니라 은하 사이의 공간 자체가 늘어나기 때문이에요. 두 번째 그림에서 시간을 늘리면 어느 은하에서 보아도 다른 은하들이 멀어지고, 먼 은하일수록 화살표가 길어 더 빨리 멀어져요. 세 번째 그래프는 그 관계를 거리와 멀어지는 속도의 직선으로 나타낸 허블 법칙이고, 그 증거가 빛의 파장이 길어지는 적색 편이예요.

은하란

🌌 별들이 모인 거대한 도시
①은하는 수천억 개의 별과 가스, 먼지가 중력으로 묶인 거대한 집단이다
②우리은하는 태양계가 속한 은하로, 가운데에 막대 모양 구조가 있는 나선 은하이고 별이 약 2천억 개다
③은하는 생김새에 따라 나선 은하, 타원 은하, 불규칙 은하로 나눈다
④관측할 수 있는 우주에는 수천억 개가 넘는 은하가 있다
나선 은하
📝 은하의 생김새
①나선 은하: 밝은 중심부를 나선팔이 감싼다. 우리은하, 안드로메다은하
②타원 은하: 공이나 럭비공 모양이고 나이 든 별이 많으며 새 별이 거의 생기지 않는다
③불규칙 은하: 일정한 모양이 없다. 대마젤란은하, 소마젤란은하

우주는 팽창하고 있다

🎈 부풀어 오르는 풍선 위의 점
①풍선에 점을 찍고 불면 점 사이의 거리가 모두 늘어난다
②어느 점에서 보아도 나머지 점들이 멀어진다. 우주에는 정해진 중심이 없다
③우주도 이처럼 은하 사이의 공간 자체가 늘어난다
④처음에 멀리 있던 은하일수록 같은 시간 동안 더 많이 멀어지므로 더 빨리 멀어지는 것처럼 보인다
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허블 법칙과 적색 편이

🔴 적색 편이로 알 수 있는 것
①멀어지는 물체에서 오는 빛은 파장이 길어져 붉은 쪽으로 치우친다(적색 편이)
②허블은 먼 은하일수록 적색 편이가 크다는 것을 알아냈다
③곧 먼 은하일수록 빨리 멀어진다
④이것이 우주가 팽창하고 있다는 증거다

총정리

허블 법칙
v = H₀ × d
멀어지는 속도 = 허블 상수 × 거리 (H₀ ≈ 70 km/s/Mpc)
우주 팽창의 증거
적색 편이 → 은하가 멀어지고 있다
빛의 파장이 길어질수록 그 은하는 빨리 멀어지고 있다
대폭발 우주론(빅뱅)
약 138억 년 전, 매우 뜨겁고 작은 상태에서 우주가 팽창하기 시작했다
팽창을 거꾸로 되돌리면 우주는 과거에 훨씬 작고 뜨거웠다
🎯 시험에서 자주 묻는 것
①은하는 별들의 거대한 집단이며 나선 · 타원 · 불규칙 은하로 나눈다
②우리은하는 나선 은하이고 태양계는 중심에서 약 2만 6천 광년 떨어진 나선팔에 있다
③적색 편이는 은하가 멀어지고 있다는 증거다
④허블 법칙: v = H₀d. 먼 은하일수록 빨리 멀어진다
⑤대폭발 우주론: 약 138억 년 전 우주가 팽창하기 시작했다

예제와 단원평가

예제 1
멀리 있는 은하의 빛을 관측했더니 파장이 원래보다 길어져 있었다(적색 편이). 이는 그 은하가 어떻게 움직이고 있다는 뜻인가?
1
멀어지는 물체에서 오는 빛은 파장이 길어져 붉은 쪽으로 치우친다.
2
그러므로 적색 편이가 나타나는 은하는 우리에게서 멀어지고 있다.
▸ 그 은하가 우리에게서 멀어지고 있다
다가오는 천체는 반대로 파장이 짧아지는 청색 편이가 나타난다. 가까운 안드로메다은하가 그런 예다.
예제 2
허블은 은하까지의 거리와 멀어지는 속도 사이에서 어떤 관계를 발견했는가? 거리가 먼 은하일수록 멀어지는 속도는 어떠한가?
1
허블 법칙에 따르면 멀어지는 속도 v는 거리 d에 비례한다(v = H₀d).
2
그러므로 거리가 먼 은하일수록 더 빨리 멀어진다.
▸ 멀어지는 속도는 거리에 비례하므로, 먼 은하일수록 빨리 멀어진다
100 Mpc 떨어진 은하는 약 70 × 100 = 7,000 km/s로 멀어진다.
단원평가 유형
은하와 우주 팽창에 대한 설명으로 옳은 것은?
①적색 편이는 은하가 우리에게 가까워지는 증거이다
②허블 법칙에 따르면 먼 은하일수록 느리게 멀어진다
③멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다
④우리 은하는 타원 은하이다
⑤우주는 크기가 변하지 않고 일정하게 유지된다
▸ ③ 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다
1
적색 편이는 은하가 멀어지는 증거이고(①X), 허블 법칙에 따르면 먼 은하일수록 빠르게 멀어진다(②X).
2
우리 은하는 나선 은하이며(④X), 우주는 팽창하고 있다(⑤X). 허블 법칙 v = H₀d에 따라 먼 은하일수록 빠르게 멀어진다(③O).
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