별과 우주

앞에서

먼저 알 것 · 중1 · 태양계지구의 자전과 공전지구가 자전하기 때문에 하늘의 별이 북극성을 중심으로 하루에 한 바퀴 도는 것처럼 보이고(일주 운동), 공전하기 때문에 태양이 별자리 사이를 1년에 한 바퀴 옮겨 가는 것처럼 보여요(연주 운동).

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 별과 우주연주 시차와 별까지의 거리

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같은 개념 · 다음 층 · 고등 지구과학연주 시차와 별까지의 거리아주 먼 별은 연주 시차가 너무 작아 잴 수 없어서, 별의 밝기나 밝기가 변하는 별(변광성) 같은 다른 방법으로 거리를 구해요.

팔을 쭉 뻗어 엄지를 세우고 왼쪽 눈과 오른쪽 눈을 번갈아 감아 보세요. 엄지가 먼 배경에 대해 옮겨 가 보이죠? 이렇게 보는 위치가 달라서 물체의 방향이 달라 보이는 각을 시차라고 해요. 엄지를 눈에 가까이 할수록 시차가 커져요.

지구는 태양 둘레를 1년에 한 바퀴 공전하므로, 6개월 간격으로 보면 지구는 공전 궤도의 반대편에 있어요. 이때 가까운 별은 아주 먼 별들을 배경으로 위치가 조금 바뀌어 보여요. 6개월 간격으로 잰 시차의 절반을 연주 시차라고 해요. 별이 멀수록 연주 시차가 작아요 — 별까지의 거리는 연주 시차에 반비례해요.

연주 시차는 아주 작아서 1° 를 3600 으로 나눈 1″(1초) 를 단위로 써요. 연주 시차가 1″ 인 별까지의 거리를 1 pc(파섹) 이라 하고, 1 pc 은 약 3.26 광년이에요. 1 광년은 빛이 1년 동안 가는 거리로 약 9.5조 km 예요. 연주 시차가 0.5″ 인 별은 2 pc, 0.1″ 인 별은 10 pc 떨어져 있어요.

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연주 시차 실험실

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자료 · 계산 시차 · 거리는 히파르코스 · 가이아 위성의 측정값을 둥글린 값 (그림의 각은 크게 과장)

해 볼 것 · ‘▶ 1년 공전’을 누르고 아래 하늘 그림에서 가까운 별 S 가 왔다 갔다 하는 것을 보세요. 위의 단추로 별을 바꾸면 — 멀리 있는 별일수록 덜 움직여요. 알파 센타우리 · 시리우스 · 베가는 실제 연주 시차로 계산했어요.

같이 풀어 보기 1연주 시차로 거리 구하기

연주 시차가 0.25″ 인 별까지의 거리는 몇 pc 일까요? 몇 광년쯤일까요? (1 pc 은 3.26 광년)

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연주 시차가 1″ 이면 1 pc 이고 거리는 연주 시차에 반비례하므로, 0.25″ 는 1″ 의 $\dfrac{1}{4}$ → 거리는 4배인 4 pc 이에요.

광년으로는 $4 \times 3.26 = 13.04$, 약 13 광년이에요.

같이 풀어 보기 2어느 별이 더 멀까?

별 A 의 연주 시차는 0.2″, 별 B 의 연주 시차는 0.05″ 예요. 어느 별이 몇 배 더 멀리 있을까요?

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A 는 5 pc, B 는 20 pc 이에요. 연주 시차가 $\dfrac{1}{4}$ 인 B 가 4배 더 멀리 있어요.

연주 시차는 너무 멀리 있는 별에는 쓸 수 없어요. 먼 별일수록 연주 시차가 작아져 정확히 잴 수 없기 때문이에요. 그래서 지구 대기의 흔들림이 없는 우주 망원경(히파르코스, 가이아)으로 정밀하게 재요.

앞에서

먼저 알 것 · 초4 · 밤하늘 관찰밤하늘과 별자리밤하늘의 별을 선으로 이어 별자리를 만들어요. 북쪽 하늘에서 거의 움직이지 않는 북극성은 북두칠성이나 카시오페이아자리로 찾고, 방향을 아는 데 써요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 별과 우주별의 밝기와 등급

이 단원 · 중2 · 별과 우주별의 색과 표면 온도

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같은 개념 · 다음 층 · 고등 지구과학별의 밝기와 등급겉보기 등급에서 절대 등급을 뺀 값(거리 지수)으로 별까지의 거리를 구하고, 별이 내는 에너지 전체(광도)를 비교해요.

같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 별의 진화별의 색과 표면 온도별빛을 분광기로 나눈 스펙트럼으로 별의 표면 온도와 구성 원소를 알아내고, 별의 색과 밝기로 그린 H-R 도에서 별의 일생을 읽어요.

별의 밝기는 등급으로 나타내요. 약 2천 년 전 그리스의 히파르코스가 맨눈에 가장 밝은 별을 1등급, 가장 어두운 별을 6등급으로 나눈 데서 시작했어요. 등급의 숫자가 작을수록 밝은 별이고, 아주 밝은 별은 0등급 · −1등급처럼 음수로 나타내요. 1등급 별은 6등급 별보다 100배 밝고, 등급이 1 작아질 때마다 약 2.5배씩 밝아져요.

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자료 · 계산 겉보기 등급(V) · 거리(히파르코스 · 가이아 시차)를 둥글린 값, 절대 등급은 M = m + 5 − 5 log d 로 계산

같이 풀어 보기 3등급과 밝기

① 1등급 별은 6등급 별보다 몇 배 밝을까요? ② 2등급 별은 4등급 별보다 약 몇 배 밝을까요?

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① 5등급 차이 → 100배.

② 2등급 차이 → $2.5 \times 2.5 \approx 6.3$, 약 6.3배.

같은 별도 멀리 있으면 어둡게 보여요. 빛이 거리의 제곱만큼 넓은 면에 퍼지기 때문에, 거리가 2배가 되면 밝기는 4분의 1, 3배가 되면 9분의 1이 돼요. 그래서 맨눈에 보이는 밝기만으로는 별이 실제로 얼마나 밝은지 알 수 없어요.

• 겉보기 등급: 우리 눈에 보이는 밝기를 나타낸 등급 — 별의 실제 밝기와 거리가 함께 정해요.
• 절대 등급: 모든 별을 같은 거리 10 pc(약 32.6 광년) 에 두었다고 할 때의 밝기 — 별의 실제 밝기를 비교할 수 있어요.

10 pc 보다 가까운 별은 10 pc 로 옮기면 어두워지므로 절대 등급이 겉보기 등급보다 커요. 10 pc 보다 먼 별은 반대로 절대 등급이 더 작아요(더 밝아요).

별	겉보기 등급	절대 등급	거리	색
태양	−26.7	4.8	1억 5천만 km	황색
시리우스	−1.5	1.4	8.6 광년	백색
베가(직녀성)	0.0	0.6	25 광년	백색
베텔게우스	0.5	−5.6	약 550 광년	적색
리겔	0.1	−7.0	약 860 광년	청백색

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자료 · 계산 겉보기 등급(V) · 거리(히파르코스 · 가이아 시차)를 둥글린 값, 절대 등급은 M = m + 5 − 5 log d 로 계산

같이 풀어 보기 4거리와 밝기

어떤 별이 지금보다 3배 먼 곳으로 옮겨 가면 밝기는 몇 분의 1이 될까요? 이 별의 절대 등급은 달라질까요?

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밝기는 거리의 제곱에 반비례하므로 $3^2 = 9$ — 9분의 1이 돼요.

절대 등급은 달라지지 않아요. 절대 등급은 별을 언제나 10 pc 에 두고 비교한 값이라 별의 실제 밝기에만 달려 있어요(겉보기 등급만 커져요).

별의 색은 별의 표면 온도에 따라 달라요. 표면 온도가 높은 별일수록 파란색, 낮은 별일수록 붉은색을 띠어요. 파란색 → 청백색 → 흰색 → 황백색 → 노란색 → 주황색 → 붉은색 순으로 표면 온도가 낮아져요. 태양은 표면 온도가 약 5800 K(약 5500 °C)인 노란색 별이에요.

같이 풀어 보기 5가장 뜨거운 별

오리온자리의 베텔게우스는 붉은색, 리겔은 청백색으로 보여요. 표면 온도가 더 높은 별은 어느 것일까요?

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리겔 — 청백색 별이 붉은색 별보다 표면 온도가 높아요. 가스레인지의 파란 불꽃이 붉은 불꽃보다 뜨거운 것과 같은 까닭이에요.

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먼저 알 개념은 이 단원의 앞부분에 있어요

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 별과 우주우리은하

이 단원 · 중2 · 별과 우주성운과 성단

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같은 개념 · 다음 층 · 고등 지구과학우리은하은하를 모양에 따라 타원 은하 · 나선 은하 · 불규칙 은하로 나누고, 은하가 도는 빠르기로 눈에 보이지 않는 물질(암흑 물질)이 있다는 것을 알아내요.

같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 별의 진화성운과 성단성운의 가스가 뭉쳐 별이 태어나고, 별 속 핵융합으로 만들어진 무거운 원소는 별이 일생을 마칠 때 우주로 퍼져 새 별과 행성의 재료가 돼요.

맑고 어두운 밤하늘에는 희뿌연 빛의 띠가 하늘을 가로질러요. 이것이 은하수예요. 갈릴레이가 망원경으로 보니 은하수는 수많은 별이 모인 것이었어요. 태양계가 속한 별들의 큰 무리를 우리은하라 하고, 은하수는 우리은하의 원반을 안에서 본 모습이에요.

우리은하에는 수천억 개의 별과 가스 · 먼지가 모여 있어요. 위에서 보면 중심부에 막대 모양의 구조가 있고 그 끝에서 나선팔이 휘감아 나가는 막대 나선 은하이고, 옆에서 보면 가운데가 볼록한(팽대부) 납작한 원반 모양이에요. 원반 둘레는 공 모양의 헤일로가 둘러싸고 있어요. 지름은 약 10만 광년이고, 태양계는 은하 중심에서 약 2만 6천 광년(교과서에 따라 약 3만 광년) 떨어진 나선팔에 있어요.

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우리은하 둘러보기

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자료 · 계산 우리은하의 크기 · 구조(막대 나선, 지름 약 10만 광년, 태양 ~ 중심 약 2만 6천 광년)로 만든 모형 — 점 하나는 별 무리

해 볼 것 · ‘위에서’로 막대 나선 모양을, ‘옆에서’로 납작한 원반과 헤일로의 구상 성단을 보세요. ‘태양계에서 (은하수)’를 누르면 태양계 자리에서 둘러보게 되는데, 원반 쪽을 보면 별이 겹쳐 띠(은하수)가 돼요.

같이 풀어 보기 6은하수가 여름에 밝은 까닭

은하수는 여름철 밤하늘에서 더 밝고 두껍게 보여요. 그 까닭을 우리은하의 구조로 설명해 보세요.

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여름철 밤에는 지구의 밤쪽 하늘이 우리은하의 중심 방향(궁수자리 쪽) 을 향해요. 중심 방향에는 별이 가장 많이 모여 있어 은하수가 밝고 두껍게 보이고, 겨울철에는 중심의 반대쪽을 보므로 은하수가 희미해요.

우리은하에는 별 말고도 여러 천체가 있어요.

성운은 가스와 먼지가 모여 구름처럼 보이는 천체예요.

• 방출 성운: 가까운 뜨거운 별의 빛을 받아 가스가 스스로 빛을 내요 — 주로 붉게 보여요(오리온 대성운).
• 반사 성운: 가까운 별의 빛을 먼지가 반사해 빛나요 — 주로 파랗게 보여요(플레이아데스 성단 둘레).
• 암흑 성운: 가스와 먼지가 뒤에서 오는 별빛을 가려 어둡게 보여요(말머리 성운).

성단은 별들이 무리 지어 모여 있는 것이에요.

	산개 성단	구상 성단
별의 수	수십 ~ 수천 개	수만 ~ 수십만 개
모양	엉성하게 흩어짐	공 모양으로 빽빽함
별의 색 · 나이	파란색 · 젊은 별	붉은색 · 늙은 별
있는 곳	주로 나선팔(원반)	중심부와 헤일로
예	플레이아데스 성단	헤라클레스자리 M13

같이 풀어 보기 7성단 구별하기

망원경으로 본 어떤 성단은 붉은 별 수십만 개가 공 모양으로 빽빽이 모여 있고, 은하 원반에서 멀리 떨어진 헤일로에 있어요. 이 성단의 종류와 별들의 나이를 쓰세요.

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구상 성단 — 붉은색의 늙은 별들로 되어 있어요. 산개 성단은 젊고 파란 별들이 엉성하게 모여 나선팔에 있어요.

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먼저 알 것 · 중1 · 태양계태양계태양계는 태양과 그 둘레를 도는 8개의 행성, 행성 둘레를 도는 위성, 소행성 · 혜성 등으로 이루어져 있어요. 행성은 크기가 작고 단단한 지구형 행성(수성 · 금성 · 지구 · 화성)과 크고 기체로 된 목성형 행성(목성 · 토성 · 천왕성 · 해왕성)으로 나눠요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 별과 우주우주 팽창

이 단원 · 중2 · 별과 우주우주 탐사

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같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 우주 초기 원소 형성우주 팽창팽창하는 우주를 거꾸로 돌려 보면 아주 뜨겁고 밀도가 높은 한 점에서 시작했다는 빅뱅 우주론에 닿고, 우주 초기에 수소와 헬륨이 만들어졌어요.

같은 개념 · 다음 층 · 고등 행성우주과학우주 탐사탐사선이 보낸 자료로 행성과 위성의 환경을 비교하고, 생명체가 살 수 있는 조건(생명 가능 지대)을 갖춘 외계 행성을 찾아요.

우주에는 우리은하 같은 은하가 수천억 개 있어요. 가장 가까운 큰 은하인 안드로메다 은하도 약 250만 광년 떨어져 있어요. 은하들을 관측하면 대부분의 은하가 서로 멀어지고 있어요 — 우주가 팽창하고 있기 때문이에요.

우주 팽창은 풍선 모형으로 설명할 수 있어요. 고무풍선에 스티커 몇 개를 붙이고 풍선을 불면,

• 모든 스티커 사이의 거리가 멀어져요 → 은하들 사이의 거리가 멀어져요.
• 처음에 멀리 있던 스티커일수록 거리가 더 많이 늘어나요 → 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어져요.
• 어느 스티커에서 보아도 다른 스티커가 멀어져요 → 팽창의 중심은 없어요.
• 스티커 자체의 크기는 변하지 않아요 → 커지는 것은 은하 사이의 공간이지 은하 자체가 아니에요.

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풍선 우주

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자료 · 계산 풍선 모형 (거리 = 반지름 × 두 스티커 사이의 각)

해 볼 것 · ‘▶ 풍선 불기’를 누르고 표에서 A 와의 거리가 어떻게 늘어나는지 보세요. 늘어난 양이 처음 거리에 비례해요. ‘기준 은하’를 다른 스티커로 바꿔도 모두 멀어져요.

같이 풀어 보기 8풍선 위의 거리

풍선에 붙인 스티커 A 와 B 사이는 2 cm, A 와 C 사이는 4 cm 였어요. 풍선을 불어 모든 거리가 2배가 되면 A–B, A–C 사이는 각각 몇 cm 늘어날까요? 이것으로 무엇을 알 수 있을까요?

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A–B 는 2 cm → 4 cm 로 2 cm, A–C 는 4 cm → 8 cm 로 4 cm 늘어나요.

같은 시간 동안 멀리 있던 C 가 더 많이 멀어졌으니, 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다는 것을 알 수 있어요.

사람들은 우주를 알아보려고 우주 탐사를 해 왔어요. 지구 대기 밖에서 우주를 보는 우주 망원경, 행성 가까이 가거나 내려앉는 탐사선, 지구 둘레를 도는 인공위성, 사람이 머무는 우주 정거장이 있어요.

해	우주 탐사
1957	스푸트니크 1호 — 첫 인공위성
1969	아폴로 11호 — 사람이 처음 달에 내림
1977	보이저 1 · 2호 — 목성 · 토성 지나 태양계 밖으로
1990	허블 우주 망원경
1998	국제 우주 정거장 건설 시작
2021	제임스 웹 우주 망원경
2022	누리호 발사 성공 · 달 궤도선 다누리 발사

우주 탐사는 우주와 지구를 더 잘 알게 해 줄 뿐 아니라, 탐사를 위해 만든 기술이 생활에 쓰여요. 인공위성 덕분에 날씨 예보 · 위성 방송 · 위치 찾기(GPS)를 쓰고, 우주 비행사를 위해 개발한 메모리폼 · 동결 건조 식품, 탐사선 카메라에서 나온 이미지 센서(휴대폰 카메라)도 있어요. 한편 고장 난 인공위성과 로켓 조각 같은 우주 쓰레기는 새로운 문제가 되고 있어요.

같이 풀어 보기 9우주 탐사와 내 생활

우주 탐사에서 나온 기술이 우리 생활에 쓰이는 예를 두 가지 쓰세요.

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예: 인공위성으로 하는 날씨 예보 · 위치 찾기(GPS, 내비게이션), 우주 비행사를 위해 만든 메모리폼 베개, 탐사선 카메라 기술에서 나온 휴대폰 카메라의 이미지 센서, 오래 두고 먹는 동결 건조 식품 가운데 두 가지.

한 장 요약

한 장 요약

1. 연주 시차 = 6개월 간격으로 잰 시차의 절반, 지구의 공전 때문. 거리는 연주 시차에 반비례 — 1″ 이면 1 pc(약 3.26 광년), 0.1″ 이면 10 pc.
2. 등급: 숫자가 작을수록 밝다, 1등급 차 약 2.5배 · 5등급 차 100배. 겉보기 등급 = 보이는 밝기, 절대 등급 = 10 pc 에 둔 밝기. 밝기는 거리의 제곱에 반비례. 색: 파랑(뜨거움) → 빨강(차가움).
3. 우리은하: 막대 나선 은하, 지름 약 10만 광년, 태양계는 중심에서 약 2만 6천 광년 떨어진 나선팔. 은하수 = 원반을 안에서 본 모습. 성운(방출 · 반사 · 암흑), 성단(산개: 젊고 파람 · 나선팔 / 구상: 늙고 붉음 · 헤일로).
4. 우주 팽창: 은하 사이가 모두 멀어지고, 먼 은하일수록 빨리 멀어지며, 중심이 없다(풍선 모형). 우주 탐사 기술은 위성 · 날씨 예보 · 생활 기술로 이어진다.