에스엘랩 | 생명의 엔진
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생명의 엔진

The engine of life

목적

 

이번 활동에서 학생들은 다음을 할 수 있다.

 

  • 행성과 항성 사이의 거리와 행성에 영향을 미치는 에너지 밀도와의 정성적인 관계를 이해할 수 있다.
  • 항성계에서 액체 상태의 물은 국한된 영역(예: 생명체 거주가능지대)에서만 존재할 수 있음을 학습할 수 있다.
  • 외계 생명체 탐사는 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 환경을 찾는 것임을 이해할 수 있다.
  • 생명체 거주가능지대의 크기와 규모는 항성의 광도에 따라 달라진다는 것을 이해할 수 있다.

 

 

학습 목표

 

  • 지구 밖 생명체를 찾는데 필요한 주요 환경에 대해 설명할 수 있다.
  • 행성계의 생명체 거주가능지대와 그 특징에 대해서 설명할 수 있다.
  • 천체로부터 받은 플럭스 밀도가 광원까지의 거리에 따라 달라진다는 것을 증명할 수 있다.

 

 

평가

 

  • 학생들은 관찰한 현상을 자신만의 표현으로 설명할 수 있어야 한다.
  • 학생들은 자신의 자료를 기록하고 분석할 수 있어야 하며 필수 결론을 도표화 할 수 있어야 한다.
  • 학생들은 자신이 관찰한 자료에 대해서 근거를 들어 정확하게 설명할 수 있어야 한다. 필수 물리 개념에 대해서 배우지 않은 상황에서 학생들은 자신만의 표현으로 관찰한 것을 설명할 수 있어야 한다.
  • 학생들에게 화성에 생명체와 물이 있는지 물어본다. 두 가지는 어떤 관계가 있는지 물어본다. 그리고 다른 행성에서 생명체가 살기 위해서 무엇이 필요한지 물어본다. 우리가 알고 있듯이 생명체가 살기 위해서 가장 중요한 필요조건은 물이라는 것이 대답에 반드시 들어 있어야 한다.
  • 학생들에게 액체 상태의 물이 존재하기 위해서 필요한 조건이 무엇인지 물어본다(온도). 우리와 다른 행성에 액체 상태의 물이 존재할 수 있도록 하는 것이 무엇인지 물어본다(태양). 태양계에서 가장 뜨거운/차가운 행성은 어디인지 물어보고 그 이유에 대해서 물어본다(온도는 태양과의 거리가 멀어질수록 낮아진다). 학생들에게 난로 위에 손을 올리는 것을 상상해보라고 말한다. 난로에서 서로 다른 높이로 손을 두었을 때 어떻게 느껴지는지 물어본다.
  • 전구와 태양 전지를 활용한 실험을 진행할 때 학생들에게 전지의 전압은 복사량에 따라 달라진다는 것을 말해준다. 이상적으로 전구에서 방출되는 모든 전력은 어느 시점에서든 동일하기 때문에 주어진 거리에서 전구 주위의 모든 전력을 합하면 항상 일정해야 한다. 좀 더 멀리 떨어진 곳에서 동일하려면 태양 전지의 개수는 동일해야 하는가 아니면 더 많거나 더 적어야 하는가? 태양 전지 한 개가 받은 복사량의 결과는 무엇을 의미하는가? 이 실험은 태양 전지(고정 영역)당 전력이 더 먼 거리에 있을 때 감소한다는 것을 학생들에게 이해시켜야 한다.

 

 

준비물

 

태양 전지가 일부 지역에서는 상당히 비싸기 때문에 실험 준비물의 개수를 제한해야할 수도 있다. 이 활동을 하기 위해서는 다음 준비물들이 필요하다.

 

활동 1 :

 

  • 강한 램프, 투광 조명등
  • 밝기를 조절할 수 있는 조광기
  • 접을 수 있는 자 혹은 야드 자
  • 전기 모터나 팬이 부착되어 있는 태양 전지(전지가 발생시키는 힘은 모터를 작동시킬 수 있어야 한다)

 

활동 2 :

 

  • 연필(일반적인 것이나 혹은 색연필)
  • 컴퍼스(그리기 도구)
  • 모눈종이
  • 계산기
  • 인터넷이 연결된 컴퓨터(선생님만 사용할 수 있으면 되므로 1개)

배경지식

 

별 주위의 생명체 거주가능지대

 

우리가 알고 있듯이 생명체가 살기 위해서 가장 중요한 요소는 액체상태의 물이다. 따라서 과학자들은 생명체가 존재할 수 있는 행성이나 천체를 찾을 때 그곳에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는지를 가장 먼저 알아본다. 이것은 지구 외의 태양계 천체들을 탐구하고 조사하는 가장 중요한 목표 중 하나이다(예: 화성).

 

액체 상태 물의 존재여부는 대기의 온도, 기압과 같은 환경조건에 달려있다. 행성의 표면 온도를 결정하는 요소는 행성이 공전하고 있는 중심 항성과의 거리이다. 물이 완전히 증발하거나 얼지 않기 위해서 온도는 아주 좁은 범위로만 고려되어야 하고 대기의 밀도와 잠정적 온실 가스의 구성성분과 같은 지역적 영향에 따라 달라진다. 이것은 주어진 항성 주위에서 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 영역을 결정하며 ‘생명체 거주가능지대’로 정의할 수 있다. 한 행성이 이 지대 안에서 공전하고 있다면 이 행성은 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 높고 생명체가 있을 수도 있다. 태양계에서는 지구가 생명체 거주가능지대에 있다. 일부 다른 모형에서는 이 지대에 화성을 포함하기도 한다.

 

생명체 거주가능지대 내의 궤도에 있다고 해서 주목할 만큼 액체 상태의 물이 있거나 생명체가 살고 있다는 보장은 없다. 왜냐하면 주어진 행성의 환경은 매우 다양하기 때문이다. 생명체가 거주할 수 있는 다른 경계 조건은 에너지원(빛, 화학 물질)과 전리입자 방사선을 막을 수 있는 자기장이다.

 

화성에는 생명체가 살았거나 살고 있는가?

 

화성의 크기는 지구의 절반이다. 화성의 붉은 색은 산화철(녹) 때문이다. 그리고 화성은 매우 얇은 대기를 가지고 있는데 주로 이산화탄소로 구성되어있다. 화성의 주요 특징 중 하나는 사화산이 많다는 것이다. 이 화산들은 22,000m 높이에 이르기까지 한다! 지구처럼 화성은 자전축이 기울어져있기 때문에 계절을 가진다. 이론적으로 태양계의 생명체 거주가능지대를 고려한다면 화성은 생명체가 거주할 수 있는 가능성이 있다.

 

지금까지 화성에 거주하는/했던 생명체에 대해서는 알려진 바 없다. 하지만 오랫동안 화성의 표면에 액체상태의 물이 존재했다는 강력한 증거가 있다. 화성의 현재 상태에 대한 일반적인 설명은 대부분의 물이 우주로 증발해버렸거나 혹은 여전히 표면 아래 얼음 상태로 존재한다는 것이다. 화성은 크기가 크지 않기 때문에 중력이 다소 약하기 때문에 대기를 가지고 있기 어렵다. 게다가 자기장도 약하기 때문에 태양풍이 초기 화성의 대기를 날려버리기 쉬웠을 것이다. 하지만 화성의 지표면에 액체상태의 물이 아주 잠깐 동안, 좁은 지역에 존재했을 것이라는 증거가 몇 가지 있다. 높은 염분이 포함된 물은 순수한 어는점 보다 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지할 수 있다(이 활동에 첨부되어 있는 기사 1 참고).

 

과학자들은 특정 형태의 생명체가 화성 지표면 아래에 있는 얼음 층에서 살고 있기를 바란다. 2020년에 발사 예정인 유럽의 화성 프로그램 ExoMars는 로봇 실험실을 사용하여 이 가설을 조사할 예정이다. 탐사선은 화성 표면을 뚫어 화학 물질과 생물학적인 활동에 대해 탐사할 수 있을 것이다.

 

그림 1 : 2020년에 발사 예정인 ExoMars 로봇의 조감도(ESA/ATG medialab, http://exploration.esa.int/mars/58885-exomars-rover-front-view-annotated/, http://www.esa.int/spaceinimages/ESA_Multimedia/Copyright_ Notice_Images).

 

태양계의 다른 위치

 

과학자들은 최근 몇 년 동안 태양계의 생명체 거주가능지대 안이 아닌 다른 위치에서 생명체가 있을 가능성을 생각해왔다. 특히, 기체 행성인 목성과 토성의 위성들 중 얼음 위성들인 유로파와 엔셀라두스는 이런 관점에서 매우 흥미로운 대상이다. NASA의 Cassini 등의 태양계 탐사 미션이 보내온 관측 자료로부터 두 위성의 두꺼운 얼음층 아래 액체 상태로 된 해양이 있다는 증거를 확인할 수 있었다(이 활동에 첨부된 기사 2 참고). 그리고 엔셀라두스의 해양 층에는 열수 분출공이 있다는 강력한 증거도 발견되었다(이 활동에 첨부된 기사 3 참고). 우리는 지구의 심해에서 이와 비슷한 환경을 발견할 수 있는데 이러한 분출공은 아래에서 분출되는 수소를 먹고 사는 생명체에 의해서 만들어진다.

 

그림 2 : 토성의 위성인 엔셀라두스의 남쪽 극지방에서 관측할 수 있는 기둥 형태의 물보라. Cassini는 2005년 2월 17일에 엔셀라두스를 처음으로 근접 비행 하면서 물기둥을 발견하였다(NASA/JPL/Space Science Institute, https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA11688).

생명체 거주가능지대에 대한 간단한 공식

 

생명체가 거주하고 있는 대표적인 행성인 지구에 영향을 미칠 수 있는 항성(태양계에서는 중심별, 태양)까지의 거리를 계산할 수 있다. 이 거리는 항성의 광도에 비례한다.

여기서 는 항성의 광도이고, 는 태양의 광도이다. 거리 는 생명체 거주가능지대의 위치를 의미한다. 생명체 거주가능지대의 폭은 내, 외부 가장자리에서 예상 온도에 따라 달라진다. 대기 상태와 질량과 같은 행성의 구성성분을 포함하여 생명 존재 가능성을 예측하는 복잡한 모형들이 있다. 따라서 생명체 거주가능지대는 행성을 포함한 항성계에서 잘 정의된 영역이 아니라 물이 액체 상태로 존재할 수 있는 여러 가지 특징에 영향을 받는다.

 

그림 3 : 항성의 광도에 따른 항성으로부터 생명체 거주가능지대까지의 거리(Derpedde, https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Solarsystemau_habit.jpg, ‘Solar system au habit’, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

 

외계 행성

 

태양 외의 항성 궤도를 돌고 있는 행성들은 ‘태양계 밖의 행성’ 혹은 ‘외계 행성’이라고 부른다. 제네바대학교의 Michel Mayor와 Didier Queloz가 이끄는 스위스 팀은 1995년에 처음으로 태양과 같은 항성을 모항성으로 가지는 행성을 발견했다. 51 Pegasi b라고 이름 붙여진 이 행성은 오직 0.05AU(태양과 지구 사이의 평균거리의 5%이다.) 거리에서 모항성 주위를 공전하는 지구와 비슷한 행성이다. 태양과 가장 가까운 행성인 수성이 평균거리 0.5AU(51 Pegasi b가 모항성과 떨어진 거리보다 10배 더 멀다.)를 돌고 있다는 것을 참고하자. 게다가 이 행성은 목성, 토성과 유사한 거대 가스 행성이다. 지금까지(2017년 7월) 우리는 3627개의 외계행성에 대해서 알고 있고 그 중 2718개는 행성계이다 (http://www.exoplanets.eu 참고).

 

그림 4 : 서로 다른 크기, 광도, 표면 온도를 가지고 있는 세 가지 항성 주위의 생명체 거주가능지대(NASA/Kepler Mission/D. Berry, http://aasnova.org/2016/02/24/where-to-look-for-habitability/).

 

그림 4는 서로 다른 온도와 광도를 가지고 있는 항성 주위의 생명체 거주가능지대(초록색 부분)를 보여준다. 가운데 그림의 항성은 태양과 유사하다. 태양보다 뜨거운 항성은 주로 크고 넓은 생명체 거주가능지대를 가지고 있는 반면, 태양보다 차가운 항성은 작고 좁은 생명체 거주가능지대를 가질 수 있다. 액체 상태의 물이 존재하기에 파란색 영역에서는 너무 차갑고 빨간색 영역에서는 너무 뜨겁다.

 

그림 5는 Kapteyn의 별이라고도 알려진 항성 HD 33793 주위의 외계 행성을 예시로 보여준다. 이 항성의 표면 온도는 약 3570K이다. 이것은 태양의 표면 온도 5778K의 절반 정도이다. 따라서 생명체 거주가능지대(초록색으로 표현된 부분)는 0.11AU에서 0.22AU 사이에 존재한다.

 

이 항성이 낮은 광도를 가지고 있기 때문에 생명체 거주가능지대는 작고 좁다. 태양과 HD 33793의 생명체 거주가능지대를 비교해보면 상당히 다르다는 것을 알 수 있다(그림 6). 전자는 더 넓고 태양에서 더 멀리 떨어져 있다.

 

그림 5 : HD 33793 항성 주위의 생명체 거주가능지대(초록색 부분).

태양계 밖의 행성 Kapteyn b의 궤도가 나타나 있다(PHL/UCP Arecibo, http://phl.upr.edu/press-releases/kapteyn,https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ legalcode, based on: Anglada-Escudé et al. 2014, MNRAS, 443, L89).

 

지구보다 약 5배 큰 질량을 가진 외계 행성 Kapteyn b는 생명체 거주가능지대에 잘 위치하고 있기 때문에 생명 존재 가능성에 대한 추가 연구 대상으로 흥미롭다.

 

그림 6 : 항성 HD 33793과 태양의 생명가능지대(초록색 부분)의 비교

(PHL/UCP Arecibo, http://phl.upr.edu/press-releases/kapteyn, https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/legalcode, based on: Anglada-Escudé et al. 2014, MNRAS, 443, L89).

전체 활동 설명

 

소개

 

생명체가 살기 위해 가장 중요한 요소는 행성이 액체 상태의 물을 가질 수 있는 능력이다. 이를 위해서는 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도 이상으로 행성의 온도가 유지될 수 있도록 중심 항성의 복사가 중요하다. 잠재적인 생명 존재 가능성이 있는 행성은 적절한 거리에서 항성으로부터 열을 받기 때문에 생명체가 시작할 수 있는 적절한 힘을 가지고 있으므로 ‘생명의 엔진’이라고 할 수 있다.

 

태양계(행성, 구성요소) 내 생명체의 진화가 이루어진 행성/위성 등에 대한 질문과 함께 활동 주제를 소개한다. 지구와 다른 행성(예: 금성, 화성)에서 생명체가 살아가기 위해서 필요한 조건들에 대하여 논의하여라. 물의 존재에 대해서는 학생들이 직접 논의할 수 있도록 지도한다.

 

질문 1 : 화성에는 생명체가 있나요?

논의 결과로 예상되는 답안 : 화성에 생명체가 있음을 나타내는 어떠한 자료도 찾을 수가 없어요.

 

질문 2 : 화성에 액체 상태의 물이 있나요?

논의 결과로 예상되는 답안 : 거의 없다고 할 정도로 아주 조금이요. 적어도 개빙구역이나 흐르는 강을 기대할 정도는 아니에요.

 

질문 3 : 이 두 가지는 어떤 관련이 있나요?

논의 결과로 예상되는 답안 : 물은 생명체의 핵심입니다. 우리가 알기로 물 없이는 생명체가 살아갈 수 없어요.

 

학생들에게 태양 이외에 다른 항성 주위를 돌고 있는 행성에 대해 들어본 적이 있는지 물어본다.

 

질문 4 : 다른 행성에 생명체가 살기 위해서 무엇이 필요하나요?

논의 결과로 예상되는 답안 : 생명체의 형성과 유지를 위한 조건에 맞아야 합니다. 하지만, 다시 언급하지만, 물이 가장 중요합니다. 열은 적어도 일부 지역에서 물을 액체 상태로 유지할 수 있을 정도만 필요합니다. 다른 조건은 열원(빛, 화학 물질) 혹은 전리 입자 방사선을 막아줄 자기장입니다. 하지만 생명체는 바다에서 진화하기 때문에 이것의 중요도는 상대적으로 낮습니다.

 

질문 5 : 물을 액체 상태로 유지하기 위해 필요한 조건은 무엇인가요?

논의 결과로 예상되는 답안 : 열과 아마도 염분이요. 염분은 더 낮은 온도에서도 물을 액체 상태로 유지할 수 있도록 합니다.

 

질문 6 : 지구와 다른 행성에 열을 주어 물을 액체 상태로 유지할 수 있도록 하는 것은 무엇인가요?

논의 결과로 예상되는 답안 : 항성인 태양입니다. 대기에 의한 온실 효과는 온도를 높이는데 도움을 줍니다.

 

질문 7 : 너무 뜨겁거나 차가우면 물은 어떻게 되나요?

논의 결과로 예상되는 답안 : 물은 얼어버리거나 끓어서 증발합니다.

 

다음 실험에서 항성은 전구로, 행성은 모터가 연결된 태양 전지로 간단히 비유한다.

 

활동 1 : 생명의 엔진

 

필요한 준비물:

 

  • 강한 전구, 투광 조명등
  • 밝기를 조절할 수 있는 조광기
  • 접을 수 있는 자 혹은 야드 자
  • 전기 모터나 팬이 부착되어있는 태양 전지(전지가 발생시키는 힘은 모터를 작동시킬 수 있어야 한다)

 

그림 7 : 태양 전지와 컴퓨터 팬을 납땜으로 연결한 예시. 연결은 마이크로플러그로 막을 수 있다. 양극성은 태양 전지의 납땜 지점 옆에 표시한다(M. Nielbock).

 

실험 준비

 

  • 모터를 태양 전지에 납땜하여 연결한다. 이것은 보통 간단하다. 전지의 양극성을 표시하는 곳에 납땜하는 지점이 있다. 전선(주로 모터에 붙어있다)을 이용하여 전극의 해당 부분에 이들을 연결한다(그림 7 참고).
  • 모터가 움직일 때, 회전축에 부착된 색칠된 판지 원판이 속도를 시각적으로 나타낸다. 팬을 사용한다면 날개를 색칠하도록 한다.
  • 전구를 조광기에 연결하고 조광기를 소켓에 꽂는다.

 

그림 8 : 실험 준비(M. Türk).

 

질문 8 : 전지가 전구로부터 다른 거리에 있을 때 모터의 움직임은 어떻게 될까요?

논의 결과로 예상되는 답안 : 회전 속도는 거리에 비례합니다. 멀다 = 느리다, 가깝다 = 빠르다.

 

실험 과정

 

  • 전구의 전원을 켠다.
  • 태양 전지를 전구에서 멀리 둔다. 모터가 움직이지 않아야 한다.
  • 전구 가까이로 움직이면서 모터가 움직이기 시작하는 거리를 확인한다.
  • 조광기를 이용하여 전구의 밝기 설정을 다르게 하여 이 과정을 반복한다.

 

과제

 

  • 관측 결과를 기록한다. 다양한 밝기로 실험했을 때 얻은 결과에 대해 논의한다.

예상 결과: 전기 모터가 움직이기 시작하는데 필요한 거리는 밝은 전구일 때 보다 어두운 전구일 때 더 짧다.

  • 모형실험과 태양계의 구성을 비교하면 지구(태양 전지)가 태양(전구)에 충분히 가까이 있으므로 생명 유지 조건(모터가 움직이는 조건)을 가지게 된 것이다. 모터가 움직이기 시작한 지점이 생명체 거주가능지대의 바깥쪽 가장자리이다. 이 실험은 생명체가 거주할 것으로 예상할 수 있는 다른 항성의 외계 행성에 대해 무엇을 알려주는가?

예상 결과: 태양보다 덜 밝은 항성의 행성계에 존재하는 행성이 생명체 거주가능지대에 있기 위해서는 모항성에 좀 더 가까이 위치 해야한다.

 

14세 이상 학생 대상:

  • 전구가 램프에 매우 가까우면 모터는 어떻게 되는가?

예상 결과: 모터는 매우 빨리 움직인다. 모터는 ‘과열’된다.

  • 생명체 거주가능지대의 안쪽 가장자리 보다 안쪽에 있는 행성에 생명체가 거주할 수 있다고 예상할 수 있을까?

예상 결과: 아니요. 거리가 감소할수록 행성이 받는 복사량은 점점 많아지기 때문 행성의 열을 증가시킵니다. 온도가 너무 높으면 물은 액체 상태로 존재할 수 없습니다.

 

이 활동은 생명체 거주가능지대에 대한 본질과 기본적인 원리에 대해 정성적인 이해를 제공한다. 하지만 실제로 생명체 거주가능지대는 어떻게 나타나는가? 다음 활동은 과학적인 조사의 예시를 보여준다. 이는 생명체 거주가능지대를 확인하는 방법과 생명체 거주가능지대 내부에 있는 행성을 알아내는 방법이 제시되어 있다.

활동 2 : KEPLER-62의 생명체 거주가능지대

필요한 준비물:

  • 연필(일반적인 것이나 혹은 색연필)
  • 컴퍼스(그리기 도구)
  • 모눈종이
  • 계산기
  • 인터넷이 연결된 컴퓨터(선생님만 사용할 수 있으면 되므로 1개)

 

그림 9 : Kepler-62f 외계 행성의 상상도(NASA Ames/JPL-Caltech).

Kepler-62는 거문고 자리에 속하는 태양보다 더 차갑고 더 작은 항성이다. 2014년에 케플러 우주 망원경으로 발견하였고 이 항성 주위에 5개의 행성이 있다. Kepler-62에 대한 자세한
사항은 표 1에 요약되어 있다.

그림 10 : 태양계와 Kepler-62 행성계 비교(NASA Ames/JPL-Caltech).

Kepler-62의 외계 행성 5개 중 일부는 지구와 유사할 것이라고 추정한다. 행성 5개의 주요 특징은 표 2에 나타나있다. 모든 행성들의 궤도는 거의 원형이며 천문단위(AU)로 나타나있
다. 천문단위는 태양과 지구 사이의 평균 거리를 의미한다.

과제(축척 모형 그리기)

  • 종이에 전체 계를 담을 수 있는 적절한 축척을 논의하고 결정한다.
  • 축척 궤도 반지름을 표 3에 채우고 모눈종이에 그 값을 표시한다.
  • 모형에서는 조감도로 행성계를 나타낼 것이다. 컴퍼스를 사용하여 모항성인 Kepler-62의 위치로 추정되는 곳 주위에 축척이 적용된 원 궤도를 그린다.
  • 다음 단계로 생명체 거주가능지대를 추가한다. 첫 번째로 간단한 방정식을 적용할 수 있다.

 

이 방정식은 항성의 광도와 관련 있다. 이 방정식은 태양과 비슷한 낮은 광도의 항성들 주위에 지구와 비슷한 행성의 위치를 알려준다. 표 1을 사용하여 Kepler-62에서 생명체 거주
가능지대의 거리를 계산해본다. 생명체 거주가능지대의 거리는 항성 광도의 제곱근에 비례한다는 것을 참고한다.

질문 : 이러한 간단한 관계를 사용할 때, 태양 광도의 4배를 가지고 있는 항성의 생명체 거주가능지대는 우리 태양계의 생명체 거주가능지대와 비교했을 때 어디쯤 있을까요?
답 : 이 항성의 생명체 거주가능지대는 태양계의 생명체 거주가능지대와 비교했을 때 중심 항성과의 거리가 2배 더 멀리 위치합니다.

  • 생명체 거주가능지대의 적절한 경계를 계산하는 것은 까다로울 수 있으며 정교한 모형이 필요하다. 온라인 도구는 다음 링크를 참조한다.
    http://depts.washington.edu/naivpl/sites/default/files/hz.shtml . 이것은 항성의 광도와 표면 온도를 입력하면 계산할 수 있다(모든 학생들이 컴퓨터를 사용하는 것 대신
    선생님만 사용할 수도 있다). 그림 11에 나타낸 것처럼 위쪽 두 칸에 항성의 표면 온도 Teff와 광도를 입력하면 된다. 값을 입력하고 나서 필드를 한 번 더 클릭 해야한다.

 

그림 11 : 생명체 거주가능지대의 크기를 계산하기 위한 온라인 도구 스크린샷. 태양의 표면 온도와 광도를 예로 계산하였다. 중요 : 값을 입력하고 난 다음 입력에 해당하는 필드를
반드시 클릭해야 한다(http://depts.washington.edu/naivpl/sites/default/files/hz.shtml).

 

 

  • 표 1의 Kepler-62의 값을 사용한다. ‘생명체 거주가능지대의 최저 한계(1 지구 질량)’와 ‘항성과 HZ거리(AU)’라고 이름 붙인 결과를 사용한다. 아래 표에 생명체 거주가능
    지대의 안쪽과 바깥쪽 가장자리까지의 거리를 추가하고 축척 반지름을 계산한다.

 

질문 : 생명체 거주가능지대에 대해 간단히 계산한 거리는 모형 계산과 얼마나 잘 맞을까요?
답 : 단순 계산 값은 좀 더 정확하게 계산한 것의 내부 가장자리 값에 근사합니다.
질문 : 모형의 값과 단순 계산 값이 거의 일치하는 이유가 무엇이라고 생각하나요? 두 가지 접근 방법은 어떤 식으로 다른가요? (힌트 : 학생들이 대답하기 어려워한다면 별의 광도 대
신에 태양의 표면 온도를 입력하는 온라인 계산기를 사용할 수 있도록 한다.)
답 : 간단한 접근 방법에는 표면 온도를 사용하지 않았습니다.
질문(이해도가 높은 단계의 학급에 적절한 질문) : 계산에 활용하지 않은 값(표면 온도)은 Kepler-62의 복사 특징에 어떠한 영향을 미칠까요?
답 : 낮은 온도는 빨간 스펙트럼을 의미합니다. Kepler-62의 스펙트럼은 상대적으로 태양보다 적외선 복사 양을 더 많이 포함하고 있습니다. 이것은 행성 대기를 직접 데우는데 좀 더
효과적입니다.

  • 이제 행성계의 축척 모형에 내부와 외부 가장자리를 추가한다.
  • 내부와 외부 가장자리 사이의 생명체 거주가능지대를 색칠할 수 있다. 초록색이 적절할것이다.

 

그림 12 : Kepler-62 행성계의 모형(정답은 학생들에게 제공하지 않도록 한다).

 

질문 : 생명체 거주가능지대에 있는 행성은 무엇인가요?
답 : Kepler-62f입니다.

추가 정보

이 활동은 ‘기후 상자’라고 하는 학습 활동의 일부이다. 이것은 유럽 연합 집행기관의 투자를 받는 우주 교육 프로젝트인 ‘EU Space Awareness’에서 개발한 것이다.

 

결론

 

이 활동은 학생들에게 행성계의 생명체 거주가능지대에 대해서 가르친다. 첫 번째 활동에는 광원과의 거리에 따라 천체가 받는 복사 양에 대해 증명하는 간단한 실험이 포함된다. 실험은 강한 전구와 전구로부터 얻은 힘이 충분할 때 모터를 움직일 수 있는 태양 전지로 구성된다. 이로부터 생명체 거주가능지대의 크기에 대해 이해할 수 있다. 생명체 거주가능지대란 액체 상태의 물이 특정한 경계 조건에 존재할 수 있는 지역이다. 움직이는 모터는 행성계 내부에서 생명체를 움직이는 엔진을 의미한다. 또한, 학생들은 실제 외계 행성의 구성요소를 이해할 수 있다. 두 번째 활동에서는 생명체 거주가능지대의 축척 모형을 계산하고 직접 그림으로써 외계 행성의 생명체 거주가능지대에 대해 이해할 수 있다.