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우주 물리학

IGCSE 물리학 · 주제 6

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16:59

Space Physics (우주 물리학)

맑은 밤에 하늘을 올려다보면 몇 천 개의 별을 볼 수 있습니다. 하지만 그것은 거의 아무것도 아닙니다. 우리 태양은 은하수에 있는 1천억 개의 별 중 단 하나일 뿐입니다…

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6.1

지구, 태양 그리고 달

Syllabus

6.1.1 지구

핵심 보충
1 지구가 자전축에 대해 약 24시간에 한 번 회전하며, 이 자전축은 기울어져 있음을 알고, 이를 이용하여 태양의 겉보기 일일 운동과 낮과 밤의 주기적 주기를 설명할 수 있다.
2 지구가 태양을 약 365 일간 주기로 한 바퀴 돌며, 이로 인해 계절이 주기적으로 변한다는 점을 안다. 4 평균 궤도 속도를 공식 $v = \frac{2\pi r}{T}$에서 정의한다. 여기서 $r$은 궤도의 평균 반경이고 $T$은 궤도 주기이다. 이 공식을 기억하고 사용한다.
3 달이 지구를 약 1개월에 한 번 공전함을 알고, 이를 이용하여 달의 위상 변화가 주기적으로 일어나는 이유를 설명할 수 있다.

6.1.2 태양계

핵심 보충
1 태양계를 다음으로 서술할 수 있다: (a) 별인 태양이 하나 포함됨 (b) 명명된 8개의 행성을 포함하며, 이들이 태양으로부터의 거리에 따른 순서를 알 것 (c) 왜행성인 플루토와 소행성대에 있는 소행성 등을 포함한 소행성이 태양 주위를 도는 것 (d) 행성을 도는 위성 (e) 혜성과 인공 위성이 아닌 자연 위성을 포함한 작은 태양계 천체 7 행성, 소행성 및 혜성은 타원 궤도를 그리며, 타원 궤도의 중심에 태양이 위치하지 않는다는 점(궤도가 거의 원형인 경우를 제외함)을 기억할 수 있다.
8 궤도 거리, 궤도 기간, 밀도, 표면 온도, 행성 표면의 균일 중력장 세기 등 행성에 대한 데이터를 분석하고 해석할 수 있다.
2 태양에 가장 가까운 네 개의 행성이 암석질이며 작고, 태양으로부터 가장 먼 네 개의 행성이 기체 질이며 크다는 점을 비교하여 알 수 있으며, 이를 태양계 형성의 응집 모델에 근거하여 설명할 수 있다. 설명에는 다음을 포함한다: (a) 모델이 중력에 의존함 (b)星际雲(우주 분자 구름)에 많은 원소들이 존재함 (c) 구름 내 물질의 회전과 응집 원반의 형성
3 중력장 세기의 특성을 안다: (a) 행성 표면에서의 중력장 세기는 행성의 질량에 따라 달라짐 (b) 행성 주변에서의 중력장 세기는 행성으로부터의 거리가 멀어질수록 감소함
4 태양계 내 천체 사이와 같이 광속으로 이동해야 하는 큰 거리를 빛이 이동하는 데 걸리는 시간을 계산할 수 있다.
5 태양이 태양계의 질량의 대부분을 차지하므로 행성이 태양 주위를 도는 이유를 이해할 수 있다.
6 행성이 태양 주위를 도는 데 필요한 힘은 태양의 중력 인력임을 안다. 9 태양의 중력장 세기가 감소하고, 태양으로부터의 거리가 멀어질수록 행성의 공전 속도가 감소함을 안다.
10 타원 궤도를 도는 천체는 태양에 가까울 때 더 빠르게 이동하며, 이는 에너지 보존 법칙을 이용하여 설명할 수 있다.

출처: Cambridge International syllabus

지구는 약 $24$시간마다 그 축(axis) 에 대해 한 번 회전(rotates)합니다. 축은 수직이 아닌 ** 기울어져(tilted)** 있습니다. 이 회전으로 인해 낮과 밤이 생기고, 매일 하늘을 가로지르는 태양의 움직임을 보게 됩니다.

지구는 또한 약 $365$일(1년)에 한 번 태양 주위를 궤도 orbit를 돌고 있습니다. 축이 기울어져 있어 연중不同时地球의 다른 부분들이 태양을 향해 기울어집니다. 이로 인해 계절 season이 형성되는데, 태양을 향해 기울어진 지구의 반구에서는 여름이 됩니다.

궤도의 두 지점에서의 기울어진 지구: 북반구가 태양을 향해 기울어짐, 그리고 반 년 뒤에는 태양과 반대 방향으로 기울어짐
축은 일년 내내 동일한 각도로 기울어져 있으므로, 각 반구(hemisphere)는 궤도의 절반 동안 태양을 향해 기울어지고另一半则背离太阳

달은 Earth 주위를 약 1개월에 한 번 도는 궤道 orbit를 그리며, 그在这个过程中我们看到的被照亮部分各不相同,这产生了月球的相位 phases (新月 new moon, 초월 half moon,満月 full moon)。

태양을 향해 반쪽만 비춰진 달의 궤도 상 네 지점
달의 밝은 반쪽은 항상 태양을 향하고 있으므로, 달이 궤도를 돌면서 우리가 보는 밝은 부분의 양이 달라집니다: 우리와 태양 사이에는新月(new moon), 태양과 반대편에는満月(full moon), 그 사이에는 초월(half moons)

따라서 짧음에서 길음으로: 하루(지구의 자전) < 한 달(달의 공전) < 한 해(지구의 공전).

검은 우주를 배경으로 어두운 patches와 밝은クレーター crater로 덮인 달의 전체 붉은 원반
满月, 지구의 자연 위성
탐색하기

달의 형태 변화 원인

태양은 항상 달의 절반을 비추며, 위상(phase)은 달이 지구 주위를 도는 동안 그 빛나는 절반 중 우리가 보는 부분이 얼마나 되는지에 불과합니다. 지구의 그림자가 아닙니다.

English 한국어
rotate/rəʊˈteɪt/ 회전함
axis/ˈæksɪs/ 축(axis)
tilted/ˈtɪltɪd/ 기울어진
orbit/ˈɔːbɪt/ 궤도
seasons/ˈsiːznz/ 계절(seasons)
Moon/muːn/ 달
phases/ˈfeɪzɪz/ 위상(phases)
6.1

궤도 속도

원형을 도는 물체에게 하나의 완전한 궤도 거리인 둘레 circumference는 $2\pi r$이며, 여기서 $r$은 궤도의 반지름입니다. 궤도 속도 orbital speed는 이 거리를 주기 period $T$(한 궤도를 도는 데 걸리는 시간)로 나눈 값입니다:

$$v = \frac{2\pi r}{T}$$

이 공식은 행성, 달 및 인공위성에도 동일하게 적용됩니다.

풀이 예제 worked example. 우주 정거장이 반지름 $r = 7000\ \text{km}$에서 Orbiting하며, 한 궤도를 도는 데 $T = 5800\ \text{s}$가 걸립니다. 이 정거장의 궤도 속도를 구하십시오.

먼저 반지름을 미터로 변환합니다: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. 그러면

$$v = \frac{2\pi r}{T} = \frac{2\pi \times 7.0 \times 10^6}{5800} \approx 7600\ \text{m/s}$$
궤道上 있는 ISS: 궤도 속도는 위성을 자유 낙하 원운동에 유지시키는 속도입니다
궤道上 있는 ISS: 궤도 속도는 위성을 자유 낙하 원운동에 유지시키는 속도입니다
English 한국어
circumference/sɜːˈkʌmfrəns/ 둘레
orbital speed/ˈɔːbɪtl spiːd/ 궤도 속도
period/ˈpɪərɪəd/ 주기
6.1

태양계 Solar System

태양계 solar system은 중심에 별 하나인 태양이 있고, 그 주변을 8개의 행성 planets이 돌고 있습니다. 태양으로부터 가까운 순서대로: 수성 mercury, 금성 venus, 지球 earth, 화성 mars, 목성 jupiter, 토성 saturn, 천왕성 uranus, 해왕성 neptune.

  • 태양에 가장 가까운 네 개의 행성은 작고 암석질 rocky입니다.
  • 태양에서 가장 멀리 떨어진 네 개의 행성은 크고 기체状 gaseous입니다 — 대부분 기체로 이루어져 있으며, 발 수 있는 고체 표면이 없습니다.
  • 더 안쪽에 있는 두 거대 행성인木星 Jupiter와土星 Saturn은 기체 행성 gas giants입니다. 바깥쪽에 있는 두 거대 행성인천왕성 Uranus와海王星 Neptune은 얼음 행성 ice giants입니다: 훨씬 많은 얼음을 포함하므로 진정한 기체 행성이 아닙니다.
태양, 수성, 금성, 지球, 화성, 소행성대 asteroid belt, 목성,土星,天王星,海王星
순서대로 태양과 여덟 개의 행성: 네 개 작은 암석 행성, 그 다음 소행성대, 그 다음 네 개 큰 기체 행성 — 기체 행성인木星 Jupiter와土星 Saturn, 그리고 얼음 행성인天王星 Uranus와海王星 Neptune (비율scaled 아님)
검은 우주를 배경으로 더 짙은 표면 특징과 얇은 극안개 polar haze가 있는 화성의 전체 붉은 원반
붉은 행성인 화성, 암석질 내행성 중 하나
갈색과 흰색 구름 띠와 주황색 대적홍점 Great Red Spot을 보여주는 목성의 전체 원반
가장 큰 행성인 목성, swirling 기체 띠를 가지고 있음
측면에서 Cassini 우주선이 촬영한 넓고 평평한 링 시스템이 있는土星 Saturn
카시니 우주선이 촬영한 토성과 그 고리

태양계에는 또한 다음과 같은 것들이 포함되어 있습니다:

  • 명백行星 dwarf planets (예:冥王星 Pluto)와 소행성 asteroids(대부분은 화성과木星 사이의 소행성대에 위치);
  • 행성을 도는 위성 moons(천연 위성 natural satellites);
  • 혜성 comets 및 기타 작은 천체들.

궤도와 중력

태양은 태양계의 질량의 대부분을 차지합니다. 태양의 중력 gravity(중력 인력)가 뻗어나와 행성들을 궤도에 머물게 합니다. 이 힘은 태양의 중력 인력입니다.

중력장 강도 gravitational field strength는 중력의 세기를 알려줍니다:

  • 행성 표면에서는 질량이 많은 행성일수록 더 큽니다;
  • 행성 주변에서는 멀어질수록 약해집니다.

마찬가지로, 태양의 중력은 외쪽으로 갈수록 약해지므로, 외행성은 내행성보다 더 느리게 움직입니다(궤도 속도가 작습니다).

행성 데이터

시험 문제는 보통 이러한 표를 제시하고,从中에서 패턴을 읽어내도록 요구합니다.

행성 태양으로부터의 거리 / 백만 km 궤도 주기 밀도 / g/cm³ 표면 온도 / °C 표면 $g$ / N/kg
수성 58 88일 5.4 170 3.7
금성 108 225일 5.2 460 8.9
지구 150 365일 5.5 15 9.8
화성 228 687일 3.9 −60 3.7
목성 779 11.9년 1.3 −110 23
토성 1430 29.5년 0.7 −140 9.0
천왕성 2870 84년 1.3 −195 8.7
해왕성 4500 165년 1.6 −200 11

주목할 점: 행성이 태양에서 멀어질수록 궤도 주기가 길어지고 표면 온도는 낮아집니다. 네 개의 내행성은 밀도가 높고(암석 및 금속), 네 개의 외행성은 밀도가 낮습니다(기체 및 얼음). 표면에서의 중력장 세기는 행성의 질량과 크기에 따라 결정되며, 태양과의 거리는 관련이 없습니다.

타원 궤도

대부분의 궤도는 완벽한 원이 아니라 타원(늘어진 원)이며, 태양은 타원의 중심에 있지 않습니다. 혜성은 매우 늘어진 궤도를 가집니다. 타원 궤道上에 있는 천체는 태양에 가까울 때 더 빠르게 움직입니다. 이를 에너지 보존 법칙으로 설명할 수 있습니다 — 총 에너지는 일정하므로, 천체의 중력 포텐셜 에너지가 감소(근접)하면 운동 에너지가 증가(속도 상승)합니다.

태양이 초점 중 하나에 위치하는 타원 궤도로, 행성이 가까울 때는 빠르고 멀 때는 느리게 이동함
태양은 타원의 초점 중 하나에 위치하며, 행성은的近太阳时加速,远离时减速

빛의 이동 시간

우주의 거리는 방대하므로, 빛이 이를 건너는 데 걸리는 시간을 계산하는 경우가 많습니다. 빛은 $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$로 이동합니다. $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$를 사용하여 계산하면, 태양(약 $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ 떨어진 곳)에서 나온 빛이 지구에 도달하는 데 약 $500\ \text{s}$가 소요되며, 이는 대략 $8$분 정도입니다.

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행성 race watching

행성이太陽에 closer일수록 orbiting faster — 수성은 88일, 목성은 12년 — 태양의 중력이 near stronger because.

English 한국어
Solar System/ˈsəʊlə ˈsɪstəm/ 태양계(Solar System)
planet/ˈplænɪt/ 연도
rocky/ˈrɒki/ 암석 행성(rocky planets)
gaseous/ˈɡeɪsɪəs/ 기체 상태의
gas/ɡæs/ 기체
gas giant/ɡæs ˈdʒaɪənt/ 가스 행성
ice giant/aɪs ˈdʒaɪənt/ 얼음 행성
dwarf planet/dwɔːf ˈplænɪt/ 왜성
asteroid/ˈæstərɔɪd/ 소행성
satellite/ˈsætəlaɪt/ 위성
comet/ˈkɒmɪt/ 혜성
gravity/ˈɡrævɪti/ 중력
gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 중력장 세기(gravitational field strength)
ellipse/ɪˈlɪps/ 타원
conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 에너지 보존
energy/ˈenədʒi/ 에너지
gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 중력 위치 에너지(gravitational potential energy)
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 운동 에너지Unless kinetic energy.
dust/dʌst/ 먼지
element/ˈelɪmənt/ 원소
6.1

태양계의 형성 과정

행성은 우주 공간에 존재하는 가스와 먼지로 이루어진 거대한 구름에서 형성되었는데, 이 구름에는 다양한 화학적 원소가 포함되어 있었습니다. 이것이 증식 모델(accretion model) 입니다:

  • 중력이 구름을 모았습니다;
  • 구름이 회전하고 있었으므로, 회전하는 증식 원반(accretion disc) 형태로 평평해졌습니다;
  • 대부분의 물질이 중심으로 떨어져 내려와 태양이 되었으며, 행성은 원반에 남은 잔여 물질로부터 성장했습니다.

뜨거운 어린 태양 근처에서는 암석과 금속만이 고체 상태로 남을 수 있었으므로 내행성은 암석으로 이루어졌습니다. 멀리서 차가운 곳에서는 기체 또한 응집할 수 있었으므로 외행성은 크기가 커지고 기체로 구성되었습니다.

행성이 물질을 흡수하며 어두운 고리를 형성하고 있는 어린 별 주위의 빛나는 오렌지색 먼지 원반
젊은 별 HL Tauri 주변의 실제 증식 원반: 어두운 간극은 새로운 행성이 먼지를 모으고 있는 곳입니다 — 우리의 태양계 역시 이와 같은 방식으로 시작되었습니다
English 한국어
accretion/əˈkreʃn/ 적층(accretion)
accretion disc/əˈkreʃn dɪsk/ 적층 원반
6.2

태양을 항성으로 보기

Syllabus

6.2.1 태양은 별이다

핵심 보충
1 태양은 중간 크기의 별이며 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있고, 전자기 스펙트럼의 적외선, 가시광선 및 자외선 영역에서 대부분의 에너지를 방출함을 안다. 2 별은 에너지를 방출하는 핵반응에 의해 에너지를 공급받으며, 안정된 별에서는 수소가 헬륨으로 융합되는 핵반응이 일어난다는 것을 안다.

6.2.2 별

핵심 보충
1 다음을 서술할 수 있다: (a) 은하는 각각 수십억 개의 별로 이루어져 있음 (b) 태양은 은하수라는 은하에 속한 별임 (c) 은하수를 구성하는 다른 별들은 태양보다 지구로부터 훨씬 멀리 있음 (d) 천문학적 거리는 광년 단위로 측정되며, 1광년은 빛이 1년 동안 진공 상태인 우주를 이동한 거리임
2 1광년이 $9.5 \times 10^{15}$ m에 해당함을 안다.
3 별의 생애 주기를 서술할 수 있다: (a) 별은 수소를 포함하는星际雲(우주 분자 구름)에서 형성됨 (b) 원성우는 자체 중력 인력으로 인해 수축하며 온도가 상승하는星际雲(우주 분자 구름)임 (c) 원성우는 중력 인력의 안쪽 방향 힘과 별 중심부의 고온에 의한 바깥 방향 힘이 평형을 이루면서 안정된 별이 됨 (d) 모든 별은 결국 핵반응 연료인 수소를 소진함 (e) 대다수 별은 중심부의 수소가 대부분 헬륨으로 전환되면 붉은거성으로 팽창하며, 더 무거운 별은 붉은초거성으로 팽창함 (f) 질량이 작은 별의 붉은거성은 중심부에 백색왜성이 있는惑星状星雲(행성상성운)을 형성함 (g) 붉은초거성은 초신성 폭발을 일으켜 수소와 새로운 무거운 원소를 포함하는 성운을 만들고, 중심부에 중성자별 또는 블랙홀을 남김 (h) 초신성에서 생성된 성운은 새로운 별과 이를 도는 행성을 만들 수 있음

6.2.3 우주

핵심 보충
1 은하수는 우주를 구성하는 수십억 개의 은하 중 하나이며, 은하수의 직경은 약 100 000 광년임을 안다.
2 적색 이동이 후퇴하는 별과 은하에서 방출되는 전자기 복사의 관측 파장이 증가하는 현상임을 서술할 수 있다.
3 지구에서 방출된 빛과 비교하여遥远한 은하에서 방출된 빛이 적색 이동됨을 안다.
4 遥远한 은하에서 방출된 빛의 적색 이동은 우주가 팽중하고 있음을 나타내는 증거이며, 대폭발 이론을 지지함을 안다.
5 우리 주변의 모든 공간에서 특정 주파수의 마이크로파 복사가 관측되며, 이를 우주 마이크로파 배경 복사(CMBR) 라고 안다.
6 CMBR은 우주가 형성된 직후 생성되었으며, 우주가 팽중함에 따라 이 복사가 전자기 스트럼의 마이크로파 영역으로 확장되었음을 설명할 수 있다.
7 은하의 별빛이 적색편이(redshift)로 인해 파장이 변한 것을 이용하여, 그 은하가 지구로부터 멀어지는 속도 $v$을 알 수 있음을 안다.
8 먼 은하의 거리 $d$을 해당 은하 내 초신성의 밝기를 사용하여 측정할 수 있음을 안다.
9 허블 상수 $H_0$을 은하가 지구로부터 멀어지는 속도와 지구로부터의 거리의 비로 정의한다. 공식
$$H_0 = \frac{v}{d}$$
을 기억하고 사용한다.
10 현재 $H_0$에 대한 추정치가 초당 $2.2 \times 10^{-18}$임을 알 것
11 수식
$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
이 우주의 나이에 대한 추정치를 나타내며, 이는 우주의 모든 물질이 단일 지점에 존재hadwasa했었다는 개념의 증거임을 알 것

출처: Cambridge International syllabus

태양은 중간 크기의 항성으로, 대부분 수소와 헬륨으로 구성되어 있습니다. 태양은 전자기파 스펙트럼의 적외선, 가시광선 및 자외선 영역에서 가장 많은 에너지를 방출합니다.

항성은 중심부에서의 핵 반응에 의해 에너지를 얻습니다. 안정된 항성에서는 핵융합 반응이 일어나며, 수소 핵들이 결합하여 헬륨을 만들고 엄청난 양의 에너지를 방출합니다.

NASA의 태양 동역학 관측소(Solar Dynamics Observatory)가 자외선으로 촬영한, 가장자리에서 밝은 prominence가 돌출된 발광 오렌지색 원반 형태의 태양
자외선으로 본 우리 nearest恒星太阳
English 한국어
Sun/sʌn/ 태양(Sun)
수업 보기
6.2

항성, 은하 및 우주의 세계

은하는 중력에 의해 묶여 있는 수십억 개의 항성 그룹입니다. 우리 태양은 은하(Milky Way) 라는 은하系统中的 한恒星입니다. 은하系统中的 다른 모든恒星들은 태양보다 지구로부터 훨씬 멀리 위치합니다.

밝은 중심에서 곡선형의恒星臂가 뻗어나오고 가장자리에 작은 동반 은하가 있는 나비꼴 은하의 정면 모습
나선 은하: 중력에 의해 묶여 있는 수백억 개의 별들

恒星之间的距离非常巨大,因此我们用光年来测量它们。一光年是光在真空中一年所走的距离,约为$9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$。

은하는 약 $100\,000$ 광년 정도 직경(직경)을 가집니다. 이는 수많은 은하들 중 단 하나일 뿐입니다. 이러한 모든 은하들이 합쳐져 우주(Universe) 를 형성합니다.

산上面的大型望远镜在夜间向银河发光带发射细黄色激光
거대 망원경이 밤하늘을 연구하며, 레이저는遠方恒星的清晰成像을 돕습니다
English 한국어
galaxy/ˈɡæləksi/ 은하(galaxy)
Milky Way/ˈmɪlki weɪ/ 은하수(Milky Way)
Universe/ˈjuːnɪvɜːs/ 우주(Universe)
6.2

항성의 생애 주기

항성은 태어나고, 살며, 죽는 것이 매우 긴 시간이 걸립니다:

  1. 항성은 수소를 포함한 가스 및 먼지의 성간 구름(interstellar cloud) 에서 형성됩니다.
  2. 중력이 구름을 안쪽으로 당기고, 온도가 상승합니다. 이렇게 수축하며 열을 띠는 구름을 원성(protostar) 이라고 합니다.
  3. 원성은 중심부의 매우 높은 온도에 의한 바깥쪽 밀림힘이 안쪽으로 작용하는 중력과 균형을 이루면서 안정적인 항성이 됩니다.
  4. 시간이 지나면 모든 항성은 융합에 필요한 수소 연료를 소진하게 됩니다.

다음에 일어날 일은 항성의 질량에 따라 달라집니다:

  • 중간 크기의 항성(태양 등)은 적색거성(red giant) 으로 부풀어오릅니다. 이후 외부 층을 행성상성운 nebula라는 발광 구름으로 뿜어내고, 중앙에 작고 뜨거운 백색왜성 white dwarf를 남깁니다.
  • 훨씬 무거운 항성은 적색초거성(red supergiant) 으로 부풀어오른 후 초신성 supernova 로 폭발합니다. 이 폭발은 수소와 새로운 무거운 원소를 포함하는 성운을 퍼뜨리고, 중성자성 neutron star 또는 블랙홀 black hole 을 남깁니다.
별의 생애流程图,根据质量分支为红巨星和红超巨星路径
모든 별은 성운에서 시작됩니다. 별이 어떻게 끝나는지는 그 질량에 따라 결정됩니다

초신성에서 나온 성운은 나중에 새로운 별을 형성하고, 그 주위를 행성이 공전할 수 있습니다—우리 태양계도 과거의 별들에서 유래했습니다.

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별의 생애 주기

중력이 기체 구름을 모아모으고, 핵융합이 별을 밝히며, 연료가 바닥나면 부풀어 오르다가 마침내 사라집니다.

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태양과 유사한 별의 생애 주기

우리 태양과 같은 별이 태어나고, 살아가고, 죽는 과정을 단계별로 확인하세요.

English 한국어
star/stɑː/ 스타(Star) ⟦star⟧
hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 수소
helium/ˈhiːlɪəm/ 헬륨
ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 자외선
electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 전자기 펙트럼
nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ 핵 반응
nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 핵 융합
interstellar cloud/ˌɪntəˈstelə klaʊd/ 성간 구름
protostar/ˈprəʊtəʊstɑː/ 원별
red giant/red ˈdʒaɪənt/ 적색거성
nebula/ˈnebjʊlə/ 성운
white dwarf/waɪt dwɔːf/ 백색왜성
red supergiant/red ˈsuːpədʒaɪənt/ 빨간 초거성
supernova/ˌsuːpəˈnəʊvə/ 초신성(supernova)
neutron star/ˈnjuːtrɒn stɑː/ 중성자 별(neutron star)
black hole/blæk həʊl/ 블랙홀(black hole)
6.2

expanding Universe

별이나 은하가我们从远离我们(它是 receding)时,我们从它那里接收到的光的 wavelength 比正常值长——它向光谱的红端移动。这是 redshift。

두 스펙트럼:遠方 은하의 선이 근방 은하와 비교했을 때 적색 단으로 이동함
遠方 은하의 스펙트럼에 있는 어두운 선들이 적색 단으로 이동하는 것은 redshift입니다

遠方 은하에서 나오는 빛은 redshift되며, 은하가 더 멀리 있을수록 redshift의 크기는 커집니다. 이는 은하들이 서로 멀어지고 있음을 의미합니다: 우주는 expanding합니다. 이를 거꾸로 생각하면 모든 것이 한 점에 모여 있었습니다—이는 Big Bang 이론의 증거입니다.

주변 은하들은 모두 바깥쪽을 향하는 화살표가 있으며, 더 먼 은하일수록 긴 화살표
모든 은하가 우리로부터 멀어지고 있으며, 더远处的 은하일수록 더 빠르게 멀어짐 — 우주는 팽창하고 있음

More evidence and the age of the Universe

우주 전방위에서 미미한 microwave radiation이 관측됩니다. 이는 cosmic microwave background radiation (CMBR)입니다. Big Bang 직후 고에너지 복사로 생성되었으며, 우주가 팽창하면서 스펙트럼의 마이크로파 영역으로 길게 늘어났습니다.

타원형 전천 도판에 파란색과 빨간색 점이 흩뿌려져 마이크로파 배경의 미세한 온도 차이를 보여줌
마이크로파로 매핑된 전체 하늘: 이 미미한 빛은 어린 우주의 잔여 열로서 모든 방향에서 우리에게 도달하며, Big Bang에 대한 강력한 증거입니다

遠方 은하에 대해:

  • 그 별빛의 redshift로부터 receding 속도를 구할 수 있습니다 $v$;
  • 그 안에 보이는 supernova의 밝기로부터 거리 $d$를 구할 수 있습니다.

Hubble constant $H_0$는 이 두 가지를 연결합니다:

$$H_0 = \frac{v}{d}$$

오늘날의 값은 약每秒 $2.2 \times 10^{-18}$입니다. 이를 역수 취하면 우주의 나이에 대한 추정이 가능합니다:

$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$

Worked example. Hubble constant는 약每秒 $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$입니다. 우주의 나이를 추정해 보십시오.

$$\frac{1}{H_0} = \frac{1}{2.2 \times 10^{-18}} \approx 4.5 \times 10^{17}\ \text{s}$$

이는 대략 $14$ 억 년입니다.

이는 모든 은하가 같은 시점에 같은 한 점에서 시작했음을 시사하기 때문에 작동합니다—Big Bang에 대한 추가적인 지지입니다.

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확장하는 우주(The expanding Universe)

v = H₀·d

은하가 멀리 있을수록更快하게 퇴행합니다—속도는 거리에 비례합니다.

English 한국어
receding/rɪˈsiːdɪŋ/ 후퇴하는
wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 파장
redshift/ˈredʃɪft/ 적색편이
expanding/ekˈspændɪŋ/ 확장되고 있었다
Big Bang/bɪɡ bæŋ/ 빅뱅
microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ 마이크로파
radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 복사
cosmic microwave background radiation/ˈkɒzmɪk ˈmaɪkrəʊweɪv ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 우주 마이크로파 배경 복사(cosmic microwave background radiation)
Hubble constant/ˈhʌbl ˈkɒnstənt/ 허블 상수
6.2

시험 팁

  • $v = \dfrac{2\pi r}{T}$에서, $r$는 궤도 반지름이고 $T$는 초 단위의 완전한 궤도一周 시간이다. km를 m로, 시간을 초로 변환해야 한다.
  • 태양에 가까운 행성은 중력이 강하게 작용하므로 더 빠르게 공전하고 더 짧은 시간이 걸립니다. 타원 궤도에서는 천체가 태양에 가까워질수록 가속됩니다(중력 포텐셜 에너지가 운동 에너지로 전환됨).
  • light-year는 시간이 아닌 거리입니다—빛이 일 년 동안 이동하는 거리입니다.
  • 별은 중심핵의 fusion에서 방출되는 에너지가 내리는 중력의 당김을 상쇄할 때 stable합니다. 연료가 고갈될 때 그것이 어떤 형태로 변하는지는 그 mass에 달려 있습니다.
  • Redshift—遠方 은하에서 나오는 빛이 더 긴(더 붉은) 파장으로 이동하며, 더 멀수록 이동 폭이 큼—은 우주가 expanding하고 있다는 증거이며, 이는 Big Bang을 지지합니다.
English 한국어
light-year/laɪt jɪə/ 광년
diameter/daɪˈæmɪtə/ 직경
stable/ˈsteɪbl/ 안정적인
fuel/ˈfjuːəl/ 연료

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