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은파 [999432] · MS 2020 · 쪽지

2021-11-17 20:46:24
조회수 13,049

지구과학 1 50점 기원 최종 정리 - 3. 우주

게시글 주소: https://orbi.kr/00040617501

2015 개정교육과정 이후 작년, 올해 평가원 기출 총 5회분 (21 6월, 21 9월, 21 수능, 22 6월, 22 9월)을 핵심개념에 따라 출제문제를 구분해봤습니다

문제에서 요구하는 핵심 개념에 대해서는 빠짐없이 정리했고 핵심개념 이외에 추가로 유기적, 복합적으로 요구될 수 있는 개념은 놓친게 있을 수 있습니다!


3단원

번호 / 핵심 개념 / 출제 빈도

18. 별의 물리량 (분광형, 표면온도, 절대등급, 광도, 반지름, 거리, 질량, 밀도..) / 8

19. 별의 진화 (원시별, 주계열성, 거성, 별의 종말, 에너지원, 구조) / 8

20. 외계행성 탐사 (시선 속도, 식 현상, 미세 중력렌즈, 직접, 생명가능지대) / 6 

21. 은하와 허블법칙 (+ 타원은하, 나선은하, 불규칙 은하, 특이 은하) / 6

22. 우주론 (정상 우주론, 대폭발 우주론, 급팽창 우주론) / 4

23. 암흑물질과 암흑에너지 (우주 팽창) / 5 

_______________________________________________________________________________________________

정리한 개념들은 최근 평가원 기출에서 출제되었으면서 EBS 수특 개념설명 부분에 수록된 부분, 그리고 최근 평가원 기출에서 출제되지 않았어도 수특 개념에 중심적으로 설명하는 부분도 일부 포함되어 있습니다.

세세하게 개념을 다루진 못하고 지엽도 거의 없습니다.

18. 별의 물리량 (분광형, 표면온도, 절대등급, 광도, 반지름, 질량, 밀도 등) / 8

최근 평가원 출제 문항: 21학년도) 6-3, 6-12, 9-15, 수능 9, 수능 14 / 22학년도) 6-14, 6-17, 9-14


18-1) 표면온도와 분광형

O  B  A  F  G  K  M

파    흰     노     붉

O, A, G, M 순으로 각각 표면온도 2.8만~, 7.5천 ~ 1만, 5천 ~ 6천, ~3.5천


*흡수선의 상대적 세기:

O형 He 2 / B형 He 1 / A형, F형: H 1, / F형, G형, K형, M형: Ca 2, 기타 금속 원소와 분자

- 표면온도에 따라 이온화되는 정도가 달라서 나타나는 것이지 별에 그 원소들이 가장 많이 있어서 그런것이 아님


18-1') 표면온도: 

최대 복사 에너지 방출 파장과 표면온도는 반비례 관계

색지수 (B등급 - V등급)와 표면온도는 반비례 관계





18-2) 광도와 절대등급

단위 시간당 방출 에너지량 = 광도 L = 4ㅠR^2 x oT^4 (반지름 R의 제곱에 비례, 표면온도 T의 네제곱에 비례)

단위 시간에 단위 면적당 방출 에너지량 =  oT^4

두 별의 절대등급 차가 5면 광도는 100배 차이난다.


18-2') 광도계급

I 초거성 /  III 거성 / V 주계열성, 왜성 / VII 백색 왜성



18-3) H-R도


주계열성, 거성, 초거성, 백색 왜성의 대략적 위치 파악


거성: 반지름이 태양의 10 ~ 100배, 광도는 10~1000배

초거성: 반지름이 태양의 몇백 ~ 1000배 이상, 광도는 몇만 ~ 몇십만 배

백색 왜성: 평균 밀도가 태양의 100만배


18-4) 그 이외 핵심 내용 (진짜 중요)

i) 주계열성은 질량이 클수록 광도(절대등급은 반대), 표면온도, 반지름의 값이 모두 커지며, 수명은 짧다

ii) 태양은 표면온도 약 5800K, 분광형 G2, 광도계급 V, 절대등급 +4.8이다.


18-1 ~ 18-3에 정리된 여러 개념들을 18-4 개념을 통해 활용할 수 있음.

(예- 기출 선지: G형에 절대등급 0등급이면 주계열성인가? (=pp 수소핵융합 반응을 하는가?) -> 태양보다 약 100배 밝은데 표면온도가 비슷하다면 주계열성으로 볼 수 없음)
(예 2- 기출 선지: 주계열성에서 광도가 클수록 수명은 짧다 - 태양과의 비교)







19. 별의 진화 (원시별, 주계열성, 거성, 별의 종말: 에너지원, 구조) / 8

최근 평가원 출제 문항: 21학년도) 6-12, 6-19, 9-3, 9-11, 수능 9, 수능 16  / 22학년도) 6-7, 9-11


1) 원시별

-생성: 성운의 중심부에서 중력 수축으로 밀도가 커지며 생성 


-에너지원: 중력 수축 (별 중력 > 기체 압력 차 힘)으로 

내부 온도가 높아지고 표면 온도 1000K일때 가시광선 방출

이때 감소한 위치 에너지 중 일부는 복사 에너지로


+중심부 온도가 1000만K가 되면 주계열성이 됨 (질량 클수록 빠르게 / 질량 큰 별은 HR도 상에 수평, 작은 별은 수직)



2) 주계열성

-생성: 원시별의 중심부 온도가 1000만K가 되면 중심에서 수소 핵융합 반응을 함 

(생성 이후 주계열성은 별의 일생에서 90% 가까이를 머무름)


-에너지원: 수소 핵융합 반응 i, ii 모두 일어남 (그러나 1800만K 이하는 i, 이상은 ii가 우세)

i) pp반응: 6H -> He + 2H, 질량 결손

ii) CNO 순환 반응: 4H (C, N, O가 촉매 역할) -> He, 질량 결손


-내부 구조: 에너지 생성 영역 / 에너지 전달 영역

i) 질량이 태양의 2배 이하: 중심에서부터 중심핵 ) 복사층 ) 대류층

ii) 질량이 태양의 2배 초과: 중심에서부터 대류핵 ) 복사층



3) 주계열성 이후 거성, 초거성으로 진화하는 사이 단계

-에너지원과 내부구조: 주계열성의 중심핵에서 수소가 고갈되면 수소 핵융합이 멈추며 주계열 단계를 벗어남

-중심부가 (헬륨핵) 수축하면서 생기는 열에너지로 

중심부 바로 바깥쪽에서 수소 핵융합이 일어나고 바깥층이 팽창하며 별의 크기가 커짐


+ 질량이 태양과 비슷한 경우 적색 거성으로, 태양보다 매우 큰 경우 (적색) 초거성으로 진화

3') 거성, 초거성

중심부의 온도가 1억 K에 도달하면 헬륨 핵반응이 일어나 탄소 산소로 구성된 핵이 만들어진다.
이때 질량이 태양 정도면 헬륨 핵반응까지만

질량이 매우 크면 철 중심핵까지만 만들어짐 (규소, 황 핵융합까지)



4) 거성 (초거성) 이후 별의 종말 사이 단계

-중심부는 수축하고 별 바깥층은 수축,팽창을 반복 -> (반지름, 표면온도 등) 주기적으로 변하는 맥동 변광성 단계 거침

-맥동 변광성 단계 이후 별의 물질이 방출되어 행성상 성운 생성, 중심부는 더 수축하여 (밀도가 큰) 백색왜성이 됨


-핵융합 반응이 멈춰 빠르게 중력 수축하다가 엄청난 에너지, 원소를 방출하는 초신성 폭발 (철보다 무거운 원소 생성)

-초신성 폭발 이후 중심부는 더 수축하여 (밀도가 매우 큰) 중성자별 생성
또는 중심부 질량이 더욱 큰 경우 블랙홀 생성


+ 크기: 태양 >>> 백색 왜성 >>> 중성자별 >>> 블랙홀




20. 외계행성 탐사 (시선속도, 식, 미세중력렌즈, 직접, + 생명가능지대) / 6 

최근 평가원 출제 문항: 21학년도) 6-8, 9-13, 수능 18  / 22학년도) 6-9, 9-6, 9-18



21. 은하와 허블법칙 (+ 타원은하, 나선은하, 불규칙 은하, 특이 은하) / 6

최근 평가원 출제 문항: 21학년도) 6-9, 9-12, 수능 7, 수능 17  / 22학년도) 6-5, 9-9


21-1) 은하

i) 허블의 은하 분류 (진화와 관련 없음)

E0 ~ E7: 타원 은하 / 주로 늙은 별 (E뒤의 숫자가 클수록 납작한 타원)


Sa ~ Sc: 정상 나선 은하 / 중심에는 늙은 별, 나선팔에는 젊은 별  (c로 갈수록 중심핵 자고 나선팔 느슨)

SBa ~ SBc: 막대 나선 은하 (이후 특징은 같음) 


불규칙 은하: 비대칭적, 불규칙 / 젊은 별 (나선 은하보다도 더)


+ 젊은 별이 많은 곳에 성간 물질 많음


ii) 특이 은하

전파나 c선 영역에서 강한 에너지 방출, 밝기가 시간에 다라 변함

전파 은하: 중심부가 뚜렷한 전파원으로 보이거나 로브가 중심부의 양쪽에 대칭으로 나타남

-제트(블랙홀에서 뿜어져 나오는 물질 흐름)의 로브에서 일부 영역은 강한 X선을 방출함 <- 블랙홀 추정


퀘이사: 하나의 별처럼 보임

우주 생성 초기에 만들어진 것이 다수며 적색편이가 매우 큼

작은 공간에서 폭발적인 양의 에너지 방출 (전퀘세 중 가장 많이) <- 블랙홀 추정


세이퍼트 은하: 핵이 상대적으로 밝음, 나선 은하의 형태로 관측

스펙트럼이 넓은 방출선 관측 <- (질량이 매우 큰 천체) 블랙홀 추정



21-2) 허블법칙

외부 은하의 스펙트럼 관측과 후퇴 속도: v:c = 파장 변화량 : 원래 파장

허블법칙: V(은하의 후퇴 속도) =H r (r=거리)


은하가 여럿 있을때 상대적으로 후퇴속도를 계산한다. (시선방향 고려)
예를 들어 A,B,C 은하 셋이 있고 B기준으로 C는 +1200km/s, A는 -600km/s일때 C가 본 A의 후퇴속도는 1800km/s


22. 우주론 (정상 우주론, 빅뱅 우주론, 급팽창 우주론) / 4

최근 평가원 출제 문항: 21학년도) 6-17, 9-18  / 22학년도) 6-19, 9-16


22-1) 빅뱅 우주론과 대폭발 우주론의 비교

빅뱅 우주론: 밀도가 매우 높은 한 점에서 대폭발이 일어난 후 점차 팽창

정상 우주론: 우주가 팽창하면서 빈 공간에 새로운 물질이 계속 생성


22-2) 빅뱅 우주론의 증거와 한계

빅뱅 우주론에 따르면


초기(1초때 1000억 K): 결합 X, 뒤엉킴, 빛 진행 X (매우 뜨겁고 밀도가 높았음, 불투명) 


3분 이내: 우주가 식으면서 중수소 형성 -> 헬륨핵 합성 (소량 리튬) 

i) 수소와 헬륨 질량비 3:1


38만년 이후(약 3000 K): 우주 식어 중성원자 형성 -> 복사, 물질 분리 (투명) 

ii) 우주 배경 복사 (우주 초기 온도 분포 균일)


현재: 약 2.7K 


그러나 한계점은

우주의 지평선 (먼 지역 정보 교환), 평탄성, 자기홀극 문제


22-3) 급팽창 우주론

지평선 문제 - 급팽창 이전 정보 교환

평탄성 문제 - 우주 크기 매우 커지면 관측 영역은 평탄

자기홀극 문제 - 급격 팽창으로 자기홀극 밀도 희박



23. 암흑물질과 암흑에너지 (우주 팽창) / 5

최근 평가원 출제 문항: 21학년도) 6-16, 9-17, 수능 15  / 22학년도) 6-15, 9-2


23-1) 우주의 구성
현재: 

암흑에너지 약 70%, 암흑 물질 약 25%, 보통 물질 약 5%

암흑에너지 - 우주 팽창 역할 (척력 작용) (Ia형 초신성 관측 결과 설명 가능)

암흑 물질 - 전자기파로 관측 x, 중력으로 존재 추정  (우리 은하 회전 속도로도 알 수 있음)


시간이 지나면서

         비율   총량  밀도 

암에    증      증     일

암물    감      일     감

보물    감      일     감


23-2) 우주 팽창

우주의 크기, 팽창 속도 등과 관련된 자료를 보고 해석할 수 있어야 함.

접선의 기울기나, 해당 가로축값에 따른 세로축값 등의 의미 파악



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