우주 물리학

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.

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)。

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

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:

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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。

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.

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.

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:

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

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

이는 대략 $14$ 억 년입니다.

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

• $v = \dfrac{2\pi r}{T}$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.