06 은하들이 멀어지는 것을 왜 우주 팽창의 증거로 볼까?

과학별과 우주중241쪽중2 과학 · 별과 우주

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이 자료는

중2 과학 「별과 우주」 여섯 번째 자료로, 은하 사이의 거리가 커지는 관측 결과를 왜 우주 팽창의 증거로 보는지 다루는 문제 유형 학습지입니다. 은하들이 우리를 피해 달아나는 것인지, 은하 사이의 공간이 늘어나는 것인지를 처음 거리와 늘어난 거리, 어느 은하를 기준으로 보았는지, 모형이 나타내는 것과 나타내지 못하는 것을 연결하여 따져 봅니다. 문제를 네 가지 유형으로 나누고 유형마다 하나의 물음을 걸었습니다. 멀리 있던 은하까지의 거리는 왜 더 많이 늘어날까, 다른 은하를 기준으로 보아도 같은 결과일까, 풍선과 고무띠는 우주의 무엇을 나타낼까, 관측 결과로 우주 팽창을 어떻게 판단할까의 순서로, 모형 속 거리 계산에서 실제 관측 증거와 대폭발 우주론까지 이어 갑니다.

유형마다 '대표문제 → 질문으로 이해하기 → 꼭 기억할 지식과 주의할 점 → 대표문제 풀이 → 적용 문제' 순서로 되어 있습니다. '같은 비율로 늘어나는데 왜 먼 은하가 더 많이 멀어질까?', '모든 은하가 우리에게서 멀어진다면 우리가 우주의 중심 아닐까?', '가까워지는 은하가 하나라도 있으면 우주 팽창은 틀린 걸까?'처럼 학생이 헷갈려 하는 질문 13개에 한 줄 답과 설명이 붙어 있습니다. 부풀어 오르는 건포도 빵, 같은 두 사진에서 다른 표지를 맞추기, 실로 묶어 둔 건포도 두 알, 썰물의 전체 흐름과 바위 근처의 움직임, 고무띠 위 물결무늬의 간격 같은 비유·예시에는 '이 비유는 여기까지만 맞다'를 함께 적었습니다. 커지는 것은 은하 사이의 간격임을 보여 주는 그림, 고무띠 모형의 처음과 10초 후, 늘어난 구간을 합쳐 증가량을 구하는 그림, 같은 10초 동안 멀어진 거리 막대그래프, A와 B를 각각 같은 자리에 맞추어 비교한 그림, 풍선 표면을 따라 재는 거리, 큰 규모의 경향과 가까운 한 쌍의 운동, 거리와 후퇴 속도의 가상 관측 그래프, 물결의 마루 사이 간격과 스펙트럼 선 이동 그림, 팽창을 과거로 되돌린 모형이 실려 있고, 끝에는 '한눈에 정리'와 관측 증거에서 결론으로 이어지는 판단 흐름도가 있습니다.

문제는 대표문제 4개, 유형별 적용 문제 20개, 여러 유형을 섞은 통합 확인 문제 8개로 모두 32문항입니다. 선다형과 ㄱ~ㄹ 중 옳은 것 고르기, O/X와 틀린 문장 고치기, 증가량·배율·평균 빠르기 계산, 기준 표지를 바꾸어 거리 표 채우기, 그림 속 위치에서 거리 읽기, 풍선 모형의 대응 쓰기, 잘못된 주장 반박하기, 비례 관계로 후퇴 속도와 거리 구하기, 알맞은 자료 고르기, 짧은 글 쓰기 같은 서술형 문항이 섞여 있습니다. 29쪽 '한눈에 정리'와 30쪽 판단 흐름도에 이어 36~37쪽에 빠른 정답, 38~41쪽에 문항별 해설과 채점 핵심이 있고, 문항마다 다시 볼 질문이 '연결'로 적혀 있습니다.

미리보기

실제 학습지의 일부입니다. 누르면 크게 볼 수 있습니다.

늘어난 구간을 합치면 증가량이 된다 — 같은 비율로 늘어난 고무띠에서 A로부터 B·C·D까지 구간마다 늘어난 길이(+1)를 더해 나가는 과정을 그린 그림 · 5쪽

같은 스펙트럼 선이 긴 파장 쪽으로 이동 — 정지한 광원의 기준 스펙트럼과 관측한 빛의 스펙트럼에서 같은 선 1·2·3을 짝지어, 관측한 빛의 선이 긴 파장 쪽으로 옮겨진 모습을 보여 주는 그림 · 25쪽

관측 증거에서 우주 팽창을 판단하기 — '먼 외부 은하일수록 대체로 빨리 멀어진다'와 '적색 편이'라는 두 증거에서 '우주는 팽창한다'는 결론을 거쳐, 특별한 중심이 없다는 판단과 대폭발 우주론으로 이어지는 흐름도 · 30쪽

핵심 정리 · 은하의 후퇴와 우주 팽창

학습지의 설명 질문 13개 가운데 핵심을 짧게 정리했습니다. 그림·그래프와 32문항은 PDF에 있습니다.

우주가 팽창한다는 것은 무슨 뜻인가요?

큰 규모에서 은하들 사이의 공간이 늘어나 은하 사이의 거리가 전반적으로 커진다는 뜻입니다. 은하 하나의 크기가 커지는 것과 은하 사이의 거리가 커지는 것은 다르며, 우주 팽창에서는 은하들이 놓인 공간의 규모가 커지는 것에 주목합니다. 우리은하 밖에 있는 은하를 외부 은하라고 합니다.

같은 비율로 늘어나는데 왜 먼 은하가 더 많이 멀어지나요?

처음부터 더 많은 구간을 사이에 두고 있었기 때문입니다. 고무띠의 모든 구간이 같은 비율로 늘어나면, 멀리 있는 표지까지는 늘어난 구간이 더 많이 이어져 있어 각 구간에서 늘어난 길이가 더 많이 합쳐집니다. 건포도 빵 반죽이 고르게 부풀 때 멀리 있던 건포도까지는 사이에 반죽이 더 많아 간격이 더 많이 벌어지는 것과 같습니다. 먼 은하가 특별한 힘으로 달아나서가 아닙니다.

‘같은 비율’과 ‘같은 증가량’은 어떻게 다른가요?

같은 비율은 몇 배가 되었는지(나중 거리 ÷ 처음 거리)가 같다는 뜻이고, 같은 증가량은 몇 cm 늘었는지(나중 거리 − 처음 거리)가 같다는 뜻입니다. 같은 비율로 늘어나도 처음 거리가 클수록 증가량은 커집니다. ‘1.5배가 되었다’는 처음 거리의 50%만큼 늘었다는 뜻이지, 150%만큼 더 늘었다는 뜻이 아닙니다.

거리가 많이 늘어나면 더 빠르게 멀어진 건가요?

비교한 시간이 같을 때만 증가량으로 빠르기를 비교할 수 있습니다. 모형에서 평균적으로 멀어지는 빠르기는 ‘거리 증가량 ÷ 걸린 시간’으로 구합니다. 예를 들어 30초 동안 3 cm 멀어진 경우와 10초 동안 1 cm 멀어진 경우는 평균 빠르기가 둘 다 0.1 cm/s입니다. 모형의 cm와 초를 실제 우주의 거리와 시간으로 그대로 바꾸어 읽지는 않습니다.

표지의 위치와 표지 사이의 거리는 같은 것인가요?

다릅니다. 위치는 정해 놓은 기준 눈금의 값이고, 거리는 두 위치가 얼마나 떨어졌는지입니다. 두 표지 사이의 거리는 같은 시점의 두 위치 차이로 구하며, 기준 표지도 이동했다면 나중의 기준 위치를 빼야 합니다. 왼쪽에 있는 표지와의 거리도 양수로 나타내며, 왼쪽·오른쪽은 방향을 나타냅니다.

다른 은하를 기준으로 보면 결과가 달라지나요?

기준에서 본 방향과 각 은하까지의 거리는 달라지지만, 다른 표지들이 멀어지는 팽창의 경향은 그대로입니다. 기준을 바꾸면 왼쪽으로 멀어지는 표지도 생길 수 있습니다. 늘리기 전후의 사진을 투명 필름에 옮겨 서로 다른 표지끼리 맞추어 보는 것처럼, 기준을 바꾸는 것은 비교 기준을 바꾸는 일이며 표지 사이의 실제 간격을 새로 늘리는 일이 아닙니다.

모든 은하가 우리에게서 멀어진다면 우리은하가 우주의 중심인가요?

아닙니다. 균일하게 팽창하는 모형에서는 어느 표지를 기준으로 삼아도 다른 표지들까지의 거리가 늘어납니다. 그래서 ‘내가 있는 곳에서 다른 은하가 멀어져 보인다’는 관측은 우리은하만 특별하다는 증거가 아니며, 우주 팽창에는 특별한 중심이 없습니다. 그림의 가운데, 선택한 관측 기준, 우주의 특별한 팽창 중심은 서로 다른 말입니다.

풍선 모형에서는 어디가 우주 공간에 해당하나요?

풍선 내부가 아니라 은하 표지들이 놓인 표면입니다. 표지들이 표면을 따로 기어 다니지 않아도 표면 자체가 늘어나면서 간격이 커진다는 점이 핵심이므로, 거리는 표면을 따라 잽니다. 다만 풍선 표면은 2차원(면)이고 실제 우주 공간은 3차원(입체 공간)이므로, 풍선 내부의 중심이나 바깥 공기를 실제 우주의 중심·바깥에 억지로 대응시키지 않습니다. 이 모형만으로 우주의 전체 모양이나 바깥의 존재를 알아낼 수도 없습니다.

우주가 팽창하면 은하나 태양계도 함께 커지나요?

아닙니다. 풍선에 펜으로 그린 점이 고무와 함께 커지는 것은 모형의 한계입니다. 중력으로 묶여 있는 은하나 태양계의 크기가 우주 팽창에 맞추어 같은 비율로 늘어나는 것은 아니므로, 모형에서는 표지 사이의 간격 변화를 읽습니다. 실로 단단히 묶어 둔 건포도 두 알은 반죽이 부풀어도 간격이 함께 늘어나지 않는다고 생각할 수 있습니다.

가까워지는 은하가 있으면 우주 팽창은 틀린 건가요?

아닙니다. 가까운 은하 사이에서는 중력에 따른 개별 운동이 전체 팽창 경향보다 두드러질 수 있습니다. 실제로 안드로메다은하는 우리은하에 가까워지고 있지만, 가까운 은하의 운동과 큰 규모의 팽창 경향은 함께 나타날 수 있습니다. 썰물 때 바위 근처에서 물이 잠깐 거꾸로 밀려 들어와도 썰물이 아닌 것은 아닌 것과 비슷하며, 전체 경향은 많은 은하의 거리와 운동을 함께 살펴 판단합니다.

어떤 관측 결과가 우주 팽창을 뒷받침하나요?

큰 규모에서 대체로 먼 외부 은하일수록 더 빠르게 멀어지는 관계입니다. 후퇴 속도는 관측자로부터 멀어지는 속도, 즉 멀어지는 빠르기를 뜻합니다. 고무띠 모형에서 멀리 있던 표지일수록 같은 시간 동안 더 많이 멀어졌듯이, 실제 은하의 거리와 후퇴 속도를 함께 조사해도 이런 경향이 나타나 은하 사이의 공간이 팽창한다는 설명과 맞습니다. 다만 실제 관측값에는 개별 운동과 측정 오차가 있어 모든 은하가 한 직선에 정확히 놓이지는 않습니다.

은하가 멀어지는지는 무엇을 관측해서 알아보나요? 적색 편이란?

은하에서 온 빛을 파장별로 나눈 띠(스펙트럼)에서, 알려진 스펙트럼 선(검은 흡수선)을 같은 종류의 기준 선과 짝지어 어느 쪽으로 옮겨졌는지 조사합니다. 우주 공간이 팽창하는 동안 그 공간을 지나는 빛의 파장이 길어지는 현상을 적색 편이(적색 이동)라고 하며, 긴 파장 쪽으로 옮겨진 것이 단서가 됩니다.

사진 전체의 붉은 색조는 별의 색, 먼지, 촬영 파장 등의 영향도 받으므로 그것만으로 후퇴를 판단하지 않습니다. 이 학습지에서는 적색 편이의 수치나 후퇴 속도를 구하는 공식은 요구하지 않습니다.

대폭발 우주론(빅뱅 우주론)은 무엇인가요?

팽창을 거꾸로 돌리면 간격이 좁아지므로, 과거에는 큰 규모에서 물질이 지금보다 더 조밀했다고 생각할 수 있습니다. 우주 팽창과 여러 관측 자료를 종합하면 우주는 약 138억 년 전 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작되어 팽창해 온 것으로 설명하며, 이 이론이 대폭발 우주론입니다. ‘대폭발’은 이미 있던 공간의 한 점에서 폭탄이 터졌다는 뜻이 아니라 우주 공간 전체가 함께 팽창해 왔다는 뜻이고, 별과 은하는 우주의 역사 속에서 나중에 형성되었습니다.

핵심 용어

우주 팽창: 큰 규모에서 은하 사이의 공간이 늘어나 은하 사이의 거리가 전반적으로 커지는 것
외부 은하: 우리은하 밖에 있는 은하
균일한 팽창 모형: 은하의 개별 운동을 생략하고, 같은 두 시점 사이에 모든 표지 사이의 거리가 같은 비율로 늘어난다고 본 모형
증가량: 나중 거리 − 처음 거리. 몇 cm 늘었는지를 나타냄
배율(몇 배): 나중 거리 ÷ 처음 거리. 몇 배가 되었는지를 나타냄
평균 빠르기: 거리 증가량 ÷ 걸린 시간. 걸린 시간이 같을 때만 증가량으로 바로 비교 가능
위치와 거리: 위치는 기준 눈금의 값, 거리는 같은 시점에서 두 위치의 차이
관측 기준: 비교할 때 가만히 있다고 맞추어 두는 표지(은하). 우주의 특별한 중심과는 다른 말
개별 운동: 주변 은하의 중력 등에 따라 은하가 따로 움직이는 운동. 가까운 은하는 서로 가까워질 수 있음
후퇴 속도: 관측자로부터 멀어지는 속도, 즉 멀어지는 빠르기
스펙트럼: 빛을 파장별로 나눈 띠
스펙트럼 선(흡수선): 스펙트럼에 나타나는 검은 선. 같은 종류의 선을 기준과 짝지어 위치를 비교함
파장: 물결의 마루와 다음 마루 사이 간격처럼 생각할 수 있는 빛의 길이
적색 편이(적색 이동): 우주 공간이 팽창하는 동안 그 공간을 지나는 빛의 파장이 길어지는 현상. 스펙트럼 선이 긴 파장 쪽으로 옮겨짐
대폭발 우주론(빅뱅 우주론): 우주가 약 138억 년 전 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작되어 팽창해 왔다고 설명하는 이론

다 풀고 나면

우주 팽창이 은하 사이의 공간이 늘어나 은하 사이의 거리가 커지는 것임을 말하고, 은하 자체가 커지는 것과 구별할 수 있다.
균일한 팽창 모형에서 증가량·배율·평균 빠르기를 구하고, 처음에 멀리 있던 은하까지의 거리가 더 많이 늘어나는 까닭을 구간별 증가량의 합으로 설명할 수 있다.
위치와 거리를 구별하고, 기준 은하를 바꾸어도 같은 팽창 경향이 나타나므로 우주 팽창에 특별한 중심이 없음을 설명할 수 있다.
풍선·고무띠 모형이 나타내는 것과 실제 우주에 그대로 옮기면 안 되는 것(내부 중심, 바깥 공기, 펜 점의 크기 변화 등)을 구별할 수 있다.
가까운 은하의 중력에 따른 개별 운동과 큰 규모의 팽창 경향을 구별할 수 있다.
거리와 후퇴 속도의 관계와 스펙트럼 선의 적색 편이를 우주 팽창의 증거로 연결하고, 대폭발 우주론의 뜻을 설명할 수 있다.

이렇게 풀면 됩니다

1쪽에서 네 유형의 질문과 읽을 자료를 확인합니다. 유형마다 맨 앞의 대표문제(2·9·15·22쪽)를 먼저 풀어 봅니다.
'질문으로 이해하기'의 질문을 읽고 내 답을 말해 본 뒤 한 줄 답과 설명, 그림·표·그래프를 읽습니다. 계산은 뺄셈(증가량)과 나눗셈(배율·평균 빠르기)을 구별해 직접 해 보고, 비유는 '이 비유는 여기까지만 맞다'와 함께 읽습니다. '꼭 기억할 지식과 주의할 점'과 대표문제 풀이의 판단 근거로 내 풀이를 점검합니다.
유형별 '적용 문제'를 같은 방법으로 풉니다. 31~35쪽의 '통합 확인 문제' 8문항(문항 25~32)으로 여러 유형을 섞어 확인합니다.
29쪽 '한눈에 정리'와 30쪽 판단 흐름도로 핵심 질문과 판단 기준을 다시 확인한 뒤, 36~37쪽 빠른 정답과 38~41쪽 정답과 해설로 맞춰 봅니다. 틀린 문항은 해설 끝 '연결'에 적힌 질문으로 돌아가 설명을 다시 읽습니다.

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