빅뱅 우주론

개념POOL

01 우주 배경 복사, 수소와 헬륨의 질량비 02 ⑴  ⑵ × ⑶ 

257^쪽

콕콕! 개념 확인하기 잠깐 확인!

1 후퇴 속도 2 허블 법칙 3 정상 우주론 4 빅뱅 우주론 5 급팽창 이론 6 우주의 지평선 7 가속 팽창 우주 01 ⑴ 적색 편이 ⑵ 멀어 ⑶ ㉠ 크게 ㉡ 빨리

02 ⑴ ㉠ 허블 법칙 ㉡ v=H\r ⑵ 우주의 중심 ⑶ 우주 의 나이 ⑷ 빅뱅 우주론 ⑸ 수소와 헬륨의 질량비, 우주 배 경 복사 03 ⑴ 자기 단극자, 우주의 지평선, 우주의 평탄성

⑵ 가속 팽창

258쪽

01 ⑤ 02 ④ 03 ⑤ 04 ⑤ 05 ② 06 ③ 07 ⑴ ㉠ 고온

㉡ 고밀도 ⑵ ㉠ 배경 ㉡ 수소 ⑶ 낮아지고 08 ① 09 ③ 10 ⑤ 11 ① 12 ⑤

259쪽~261쪽 탄탄! 내신 다지기

01

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. (가) 은하는 지구로부터 멀어지고 있다.

 (가)와 (나) 모두 적색 편이 현상이 관찰되므로 (가), (나) 모두 지구로부터 멀어지고 있다.

ㄴ. (가) 은하의 후퇴 속도가 (나) 은하보다 느리다.

 흡수선의 적색 편이 정도를 보면, (나) 은하의 후퇴 속도가 (가) 은하의 후퇴 속도보다 빠르다.

ㄷ. (가), (나)를 보았을 때 우주가 팽창하고 있음을 알 수 있다.

 (가)와 (나) 모두 적색 편이 현상이 관찰되므로 우주가 팽창하고 있다고 유추할 수 있다.

더 알아보기 모든 외부 은하는 적색 편이만 나타나는가?

⇨ 대부분의 은하들은 우리은하로부터 멀어지고 있지만 어떤 은하들은 우리은하에 가까워지고 있어 스펙트럼에서 청색 편이가 나타난다.

⇨ 이는 우리은하와 거리가 가까워 중력이 크게 작용하기 때문 이다.

02

허블 상수는 은하의 거리에 대한 후퇴 속도의 비이다. 후 퇴 속도는 스펙트럼의 적색 편이량으로 구할 수 있다.

03

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. 거리가 먼 은하일수록 후퇴 속도가 더 빠르다.

 그래프에서 거리가 멀수록 후퇴 속도가 크다.

ㄴ. 거리를 r, 속도를 v, 비례 상수를 H라고 하면 v=Hr 로 표현할 수 있다.

 그래프에서 거리가 멀수록 후퇴 속도가 크다. 이 관계를 식으 로 표현하면 v=Hr로 표현할 수 있다.

ㄷ. 기울기는 대략 500 km/s/Mpc이다.

 기울기는 15000 km/s

30 Mpc =500km/s/Mpc이다.

04

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. 허블 상수는 후퇴 속도와 은하까지의 거리에 대한 관 계로 알 수 있다.

 허블 상수는 외부 은하까지의 거리와 후퇴 속도와의 관계식에 서 비례 상수이다.

ㄴ. 허블 상수의 역수는 우주의 나이에 해당한다.

 허블 상수의 역수는 우주의 나이이다.

ㄷ. 허블 상수의 값은 관측치의 정확도에 따라 조금씩 변 해 왔다.

 허블 상수의 값은 관측의 발달에 따라 조금씩 변하고 있다.

05

풍선 모형 실험에서 3 차원 우주는 풍선 표면, 동전은 외부 은하에 해당한다. 멀리 있는 동전 사이의 거리가 더 빨리 멀어진다.

| 선택지 분석 |

① 풍선 내부는 우주에 해당한다.

 풍선 표면이 우주에 해당한다.

② 풍선 표면에서는 팽창의 중심이 없다.

③ 동전은 우리은하 안에 있는 별에 해당한다.

 동전은 우주 안의 은하에 해당한다.

④ 가까운 동전 사이의 거리가 더 빨리 멀어진다.

 멀리 있는 동전 사이의 거리가 더 빨리 멀어진다.

⑤ 풍선이 계속 팽창하더라도 동전 사이의 거리는 일정하 게 유지된다.

 풍선이 팽창할수록 동전 사이의 거리는 계속 멀어진다.

06

우주의 팽창에는 특별한 중심이 없다. 은하 내부에서는 우

주의 팽창 효과보다 중력 효과가 훨씬 더 크기 때문에 별 사이의 거리가 넓어지지 않는다. 멀리 있는 외부 은하일수 록 거리에 비례하여 적색 편이량이 커지기 때문에 후퇴 속 도가 증가함을 알 수 있다.

더 알아보기 우주의 팽창

우주가 팽창하기 때문에 은하 내의 별과 별 사이의 거리가 점 점 멀어진다고 생각하기 쉽다. 은하 내의 별들은 서로 간의 인 력에 의해 큰 영향을 받고 있기 때문에 우주 팽창으로 별들 사 이의 간격이 넓어져 은하가 커지는 것은 아니다.

⇨ 우주 팽창의 단위는 별이 아니라 은하이다.

07

⑴ 초기 우주의 온도와 밀도는 고온, 고밀도 상태였다.

⑵ 빅뱅 우주론을 뒷받침하는 관측적인 증거는 우주 배경 복사, 수소와 헬륨의 질량비이다.

⑶ 대폭발 이후 우주의 온도는 점점 낮아지고, 어두운 상 태가 된다.

08

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. (가)와 (나) 모두 팽창하는 우주를 기본으로 전제한다.

 (가)는 정상 우주론, (나)는 빅뱅 우주론으로 모두 팽창하는 우 주를 표현하고 있다.

ㄴ. (가)는 현재 가장 설득력 있는 우주론으로 받아들여지 고 있다.

 현재는 빅뱅 우주론이 가장 설득력이 있는 우주론으로 받아들 여지고 있다.

ㄷ. (나)는 우주의 크기와 상관없이 밀도가 일정하게 유지 된다.

 정상 우주론에서는 우주의 크기와 상관없이 밀도가 일정하게 유지된다.

09

빅뱅 우주론의 증거로는 우주 배경 복사, 수소와 헬륨의 질량비 등이 있다.

10

우주는 급팽창 이후 팽창 속도가 느려지다가 현재는 가속 팽창하고 있다.

더 알아보기 Ia형 초신성

매우 밝으며, 일정한 질량에서 폭발하여 절대 밝기가 일정하기 때문에 멀리 있는 외부 은하의 거리 측정에 사용된다.

⇨ 거리에 따라 밝기가 다르므로 이를 분석하여 과거 우주의 팽창 속도를 알 수 있다.

11

^{| 선택지 분석 |}

① A - 가속 팽창 우주 ② B - 평탄 우주 ^{ 텅 빈 우주} ③ C - 닫힌 우주 ^{ 열린 우주} ④ D - 열린 우주 ^{ 평탄 우주} ⑤ E - 텅 빈 우주 ^{ 닫힌 우주}

III

12

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. Ia형 초신성 관측을 통해 얻은 자료는 A 모형과 일치한다.

 Ia형 초신성 관측을 통해 얻은 자료는 A 모형인 가속 팽창 우 주와 일치한다.

ㄴ. B 모형은 우주에 중력을 미칠 수 있는 물질이 없다고 가정했을 때에 나타나는 모습을 나타낸 것이다.

 B 모형인 텅 빈 우주는 우주에 중력을 미칠 수 있는 물질이 없 다고 가정했을 때에 나타나는 모습이다.

ㄷ. 현재 과학자들은 우리 우주의 모습을 A 모형에 해당한 다고 생각하고 있다.

 현재 과학자들은 여러 가지 증거들을 통해 우리 우주의 모습을 가속 팽창 우주로 보고 있다.

01 ④ 02 ③ 03 ④ 04 ⑤ 05 ③ 06 ⑤ 07 ⑴ 50 nm ⑵ 3×10⁴km/s ⑶ 300 Mpc

08 | 모범 답안 | 약 140억 년, 우주의 나이는 허블 상수의 역수이다. 1 Mpc=326×10⁴ 광년이고, 1광년은 9.46×

10¹² km이므로 우주의 나이= 1H = 1 70 km/s/Mpc

= 1 MpcAs

70 km =(326\10⁴)(9.46\10¹²)

70 m4.4\10¹⁷(초) m140(억 년)이다.

09 | 모범 답안 | 약 4286 Mpc, 우주의 크기는 H= vr에서 r= vH 로 구할 수 있다. 여기서 v는 빛의 속도(c)이다. 따라서 우주의 크기 r= 3\10⁵ km/s

70 km/s/Mpc m4286 Mpc이다.

262쪽~263쪽 도전! 실력 올리기

01

거리가 먼 은하일수록 스펙트럼에서 적색 편이가 크게 나 타난다. 적색 편이량은 B>C>A 순이다. 따라서 은하까 지의 거리는 B>C>A 순이다.

02

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. A 은하는 B 은하보다 적색 편이량이 작다.

 멀리 있는 은하일수록 후퇴 속도가 크다. 따라서 B 은하가 A 은하보다 더 빨리 멀어지고 있기 때문에 더 큰 적색 편이량을 갖 게 된다.

ㄴ. 그래프의 기울기의 역수는 허블 상수를 의미한다.

 그래프의 기울기는 허블 상수이고, 허블 상수의 역수는 우주의 나이이다.

ㄷ. 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어지고 있다.

 멀리 있는 은하일수록 후퇴 속도가 크므로 더 빨리 멀어지고 있다.

03

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. A~B가 3 cm 멀어진다면, A~C도 3 cm 멀어진다.

 각각의 은하들이 같은 비율로 멀어지는 것이지 같은 거리만큼 멀어지는 것은 아니다.

ㄴ. (가)에서 (나)로 팽창하는 동안 풍선의 팽창에는 중심 이 없다.

 풍선이 팽창하는 것을 우주에 비교하여 생각해 보면, 풍선의 팽창에 중심이 없는 것처럼 우주의 팽창에도 중심이 없다.

ㄷ. A~C 사이의 거리가 2배 멀어지는 동안 A~B 사이의 거리도 2배 멀어진다.

 각각의 은하들이 같은 비율로 멀어진다.

04

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. (가)는 지상에서 전파 망원경을 통해 관측된 것이다.

 (가)는 지상의 전파 망원경, (나)는 COBE 망원경, (다)는 WMAP 망원경, (라)는 Plank 망원경으로 촬영한 우주 배경 복 사이며, (가)에서 (라)로 갈수록 최근 관측 자료이다.

ㄴ. (나)는 우주에서 관측한 것으로 우주 배경 복사의 비균 일성을 보여 준다.

 (나)에서 전 하늘에 걸쳐 10만분의 1 정도의 매우 작은 온도 차 이의 비균일성을 보여 준다.

ㄷ. (다), (라)는 해상도가 높은 관측 결과로 국지적으로 미 세한 온도 차이를 보여 준다.

 (나)에서 전 하늘에 걸쳐 10만분의 1 정도의 매우 작은 온도 차 이가 나타나며, (다)와 (라)에서 더욱 정밀하게 측정되었다.

05

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. 현재 우주의 평균 온도는 약 2.7 K이다.

 우주 배경 복사는 온도가 약 2.7 K인 흑체가 방출하는 복사와 일치한다. 빅뱅 후 우주의 온도가 약 3000 K일 때 중성 원자가 생성되면서 빛이 물질로부터 분리되어 사방으로 방출되기 시작하 였는데, 팽창하면서 우주가 점점 식어서 현재 2.7 K 정도가 된 것 이다.

ㄴ. 우주 배경 복사는 주로 전파 영역에서 강하게 나타난다.

 우주 배경 복사는 수 mm 정도의 전파 영역에서 강하게 나 타난다.

ㄷ. (나)의 온도 차이는 현재 별의 진화 과정에서 나타난 결과이다.

 우주 배경 복사의 미세한 온도 차이는 우주 초기에 미세한 밀 도 불균일이 존재했다는 증거이다.

06

^{| 선택지 분석 |}

ㄱ. 우주 탄생 직후 극히 짧은 시간 동안 우주가 급격히 팽 창했다는 이론이다.

 급팽창 이론은 대폭발 직후 극히 짧은 시간 동안 일어났던 사 건에 관한 이론이다.

ㄴ. 급팽창 이전에는 우주의 크기가 우주의 지평선보다 작 았고, 급팽창 이후에는 우주의 지평선보다 크다고 설 명한다.

 급팽창 이론은 급팽창 이전에는 우주의 크기가 우주의 지평선보 다 작았고, 급팽창 이후에는 우주의 지평선보다 크다고 설명한다.

ㄷ. 빅뱅 우주론이 해결하지 못한 자기 단극자 문제, 우주 의 지평선 문제, 우주의 평탄성 문제 등을 설명하였다.

 급팽창 이론을 통해 빅뱅 우주론이 해결하지 못한 자기 단극자 문제, 우주의 지평선 문제, 우주의 평탄성 문제 등을 설명하였다.

07

^{⑴ &c}=c-c0=550-500=50 (nm) ⑵ v=3×10⁵× 550-500

500 =3×10⁴ (km/s) ⑶ r= vH =3\10⁴

100 =300 (Mpc)

08

우주의 나이는 허블 상수의 역수이다.

채점 기준 배점

풀이 과정과 답을 모두 옳게 설명한 경우 100 % 풀이 과정이나 답 중 하나만 옳게 설명한 경우 50 %

09

은하의 후퇴 속도는 광속을 넘을 수 없으므로, 관측 가능 한 우주의 크기(r)는 광속(c)으로 멀어지는 은하까지의 거 리에 해당한다.

채점 기준 배점

풀이 과정과 답을 모두 옳게 설명한 경우 100 % 풀이 과정이나 답 중 하나만 옳게 설명한 경우 50 %

문서에서 정답과 해설 (페이지 77-80)