#5 우주의 구성 원소 분포

문제 1 · OX 문제

우주를 구성하고 있는 여러 천체의 스펙트럼을 분석하면 우주 전체의 구성 원소를 알 수 있다.

정답: O

우리가 우주 전체를 저울에 달아볼 수는 없지만 별들이 보내온 빛의 편지를 분광기로 읽어보면 그 속에 어떤 원소가 들어있는지 다 알 수 있습니다. 천체들이 뿜어내는 빛의 줄무늬(바코드)가 바로 우주의 성분표 역할을 해주는 것입니다.

문제 2 · OX 문제

우주 초기에 생성된 수소와 헬륨은 오늘날 별과 은하를 구성하는 주된 원소가 되었다.

정답: O

빅뱅이라는 거대한 폭발 이후에 처음으로 만들어진 수소와 헬륨은 우주의 가장 기초적인 레고 블록(벽돌)이 되었습니다. 이 재료들이 차곡차곡 모이고 뭉쳐서 지금 우리가 밤하늘에서 보는 반짝이는 주인공들을 만들어낸 것이랍니다.

문제 3 · OX 문제

빅뱅 우주론에서 예측한 수소와 헬륨의 질량비와 실제 관측한 질량비는 서로 일치하지 않는다.

정답: X

과학자들이 머릿속으로 계산한 이론적인 예언 숫자와, 실제 별빛을 분석해서 얻은 관측 숫자가 소름 돋을 정도로 딱 맞아떨어졌습니다! 이 완벽한 일치성이야말로 빅뱅 우주론이 진짜라는 것을 알려주는 가장 강력한 증거(결정적 한 방)가 되었답니다.

문제 4 · 빈칸 채우기

우주 전체의 구성 원소 비율을 보면 ( )은/는 약 74%를 차지하며 우주에서 가장 풍부한 원소임을 알 수 있다. (2글자)

정답: 수소

이 원소는 우주에서 가장 먼저 태어난 맏형이자 양도 가장 많은 대장이에요. 우주 어디를 가나 이 친구의 흔적을 찾을 수 있을 만큼 우주의 뼈대를 이루는 가장 핵심적인 재료라고 할 수 있답니다.

문제 5 · 빈칸 채우기

수소와 헬륨의 질량비가 이론적 예측값과 일치한다는 사실은 ( ) 우주론의 결정적인 증거 중 하나가 된다. (2글자)

정답: 빅뱅

우주가 콩알보다 작은 한 점에서 거대한 폭발과 함께 시작되었다는 이 이론이 진짜라는 걸 알려주는 가장 확실한 영수증(증명서)이 바로 이 원소 비율이에요. 이론이 예언한 대로 실제 우주가 만들어져 있으니 우리가 이 이론을 전적으로 신뢰하게 된 거죠.

문제 6 · 빈칸 채우기

우주를 구성하는 원소의 종류와 성분 함량을 알아내기 위해 빛을 파장별로 나누어 분석하는 관측 결과물을 무엇이라 하는가?(4글자)

정답: 스펙트럼

별이 보내온 빛을 무지개처럼 나누어서 들여다보는 이 기록지는 우주에서 날아온 이력서와 같아요. 우주선을 타고 직접 가보지 않고도 멀리 있는 천체의 정체와 성분 함량을 낱낱이 밝혀낼 수 있는 현대 천문학의 마법 같은 도구랍니다.

문제 7 · 단답형

별빛의 스펙트럼을 정밀하게 분석하여 알아낸 우주 전체 수소와 헬륨의 질량비는 약 얼마인가? [3글자]

정답: 3:1

수소가 3만큼 있을 때 헬륨이 1만큼 들어있다는 이 황금비율 숫자가 우주의 초기 비밀을 푸는 마법의 열쇠예요. 흡수선의 굵기(선폭)를 분석해서 얻은 이 비율 덕분에 우리가 우주가 어떻게 시작되었는지 확신하게 된 거죠.

문제 8 · 단답형

스펙트럼의 흡수선 세기와 비례하는 물리량으로 선폭을 결정하여 원소의 질량비를 알 수 있게 해주는 요소는 무엇인가? [2글자]

정답: 밀도

친구들이 좁은 교실에 빽빽하게 모여 있을수록 지나가는 사람을 잘 막겠죠? 원소가 빽빽하게 모여 있는 정도를 말하는 이 값이 높을수록, 지나가는 빛을 인정사정없이 더 많이 흡수해서 선을 더 굵고 진하게(선폭 증가) 만들기 때문이랍니다.

문제 9 · 단답형

우주 전체 질량의 약 24퍼센트를 차지하며 수소와 함께 빅뱅 우주론의 증거가 되는 원소의 이름은 무엇인가? [2글자]

정답: 헬륨

수소 형님(74%) 옆에서 우주를 든든하게 채워주는 2인자 주인공이에요. 빅뱅이 일어난 지 단 3분 만에 만들어진 이 친구는 우주 전역에서 거의 일정한 비율(약 24%)로 발견되어 우리에게 우주의 탄생 이야기를 완벽하게 들려준답니다.

문제 10 · 단답형

원소는 고유한 특성에 따라 특정 에너지를 가진 빛을 선택적으로 흡수하거나 방출하는데 이때 빛의 색깔을 결정짓는 물리적 단위는 무엇인가? [2글자]

정답: 파장

빛은 색깔마다 고유한 길이(파도 간격)를 가지고 있는데 이걸 이 이름으로 불러요. 원소들은 자기 입맛에 딱 맞는 특정 길이의 빛하고만 반응하는 아주 까다로운 취향을 가지고 있어서, 선이 찍히는 가로축 위치가 모두 다르게 나타난답니다.

문제 11 · 보기 선택

우주 원소 분포와 스펙트럼 분석에 대한 설명 중 옳은 것의 기호를 모두 쓰시오.

• ㄱ. 수소와 헬륨의 질량비 3:1은 우주 전역에서 일정하게 관측된다.
• ㄴ. 흡수선의 선폭을 분석하면 원소의 질량비를 알아낼 수 있다.
• ㄷ. 수소와 헬륨 외의 무거운 원소들이 우주 질량의 대부분을 차지한다.

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 우주 어디를 보나 질량비가 3:1로 일정하다는 것은 우주가 한곳에서(빅뱅) 시작되었다는 완벽한 증거예요. ㄴ. 선이 굵을수록 양이 많다는 원리를 이용하면 멀리 있는 별의 함량도 척척 알아낼 수 있죠.

문제 12 · 보기 선택

스펙트럼을 이용한 우주 구성 성분 확인에 대해 옳은 것을 보기에서 모두 골라 기호를 쓰시오.

• ㄱ. 별빛의 스펙트럼에서 선이 나타나는 위치는 원소마다 고유하다.
• ㄴ. 수소와 헬륨의 관측 결과는 빅뱅 우주론을 지지하는 강력한 증거이다.
• ㄷ. 선폭이 가늘수록 해당 원소가 별에 많이 포함되어 있다는 뜻이다.

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 선이 어디 찍혀 있는지 보면 무슨 원소인지 알 수 있는 주민등록증 같은 역할이에요. ㄴ. 이론(예측)과 실제(관측)가 딱 맞아떨어진 이 결과 덕분에 인류는 우주의 역사를 확신하게 되었답니다.

문제 13 · 객관식

뜨거운 별이나 광원에서 나오는 빛처럼 모든 색깔이 끊어짐 없이 쭉 이어진 띠로 나타나는 스펙트럼은?

• ① 방출 스펙트럼
• ② 흡수 스펙트럼
• ③ 연속 스펙트럼
• ④ 선 스펙트럼
• ⑤ 복합 스펙트럼

정답: ③

빨주노초파남보가 중간에 빈틈이나 끊김 없이 꽉 들어찬 가장 예쁜 무지개 상태를 말해요. 우주 공간에서 아무런 방해(차가운 기체)를 받지 않고 무사히 도착한 순수한 빛은 이렇게 모든 색을 다 품고 있답니다. 이 형태의 스펙트럼은 우주 원소를 분석하기 위한 훌륭한 바탕 도화지 역할을 해요.

문제 14 · 객관식

별빛이 저온의 성운을 통과하면서 특정 원소가 빛을 가로채 무지개 바탕에 검은 줄이 생기는 스펙트럼은?

• ① 연속 스펙트럼
• ② 흡수 스펙트럼
• ③ 방출 스펙트럼
• ④ 가시광선 스펙트럼
• ⑤ 전자기파 스펙트럼

정답: ②

화려한 무지개 무대 위에 누군가 시커먼 페인트로 이빨 빠진 줄을 그어놓은 것 같은 모습이에요. 굶주리고 차가운 기체들이 자기가 좋아하는 빛(에너지)만 쏙쏙 골라 훔쳐 먹었기 때문에 생기는 현상이죠. 이름 그대로 빛이 기체에게 먹혀서(흡수되어서) 사라진 결과물이라는 뜻을 담고 있답니다.

문제 15 · 객관식

기체가 에너지를 얻어 스스로 에너지를 내보내며 밝은 선 스펙트럼을 만들기 위해 필요한 물리적 상태는?

• ① 저온 상태
• ② 진공 상태
• ③ 고온 상태
• ④ 무중력 상태
• ⑤ 고압 상태

정답: ③

기체가 에너지를 잔뜩 받아 펄펄 끓을 정도로 뜨거워지면, 몸을 주체하지 못하고 자기가 가진 에너지를 빛의 형태로 밖으로 팍팍 뿜어내요! "앗 뜨거워! 나 에너지 너무 많아!" 라고 외치며 빛의 네온사인을 토해내는 거라서, 온도가 아주 높은 상태가 되어야 비로소 예쁜 밝은 선들을 우리에게 보여준답니다.