텅 빈 우주에서의 푸른점

목적

• 우주의 방대함과 그에 비해 상대적으로 지구의 작은 크기에 대해서 깨닫는다.
• 태양계의 거리와 크기에 대해 대략적인 감을 얻는다.

학습 목표

• 모형을 만들어서 우주의 방대함을 이해한다.
• 지구는 아주 큰 우주의 텅 빈 공간에 있는 작은 파란 색 점이고 실제로 매우 약한 존재임을 이해한다.
• 우주 탐사의 중요성을 이해한다.

평가

• 학생들이 지구와 태양 사이의 거리에 지구가 몇 개가 들어가는지에 대해서 상기하도록 질문한다.
• 학생들에게 태양계의 크기와 비교하여 지구의 크기가 얼마일지 물어본다(지구와 상대적으로 가까이 있는 화성의 하늘에서 봤을 때 지구의 크기는 팝콘 씨앗에 불과하고 지구는 태양계 크기와 비교했을 때 매우 작음을 이해할 수 있어야 한다. 행성들은 텅 빈 우주 공간에 매우 넓게 퍼져있다).
• 우주가 실제로 크고 지구를 대체할 행성으로 적합한 행성들이 매우 멀리 떨어져 있다는 것을 알게 되었을 때 지구를 살펴보는 것이 중요한지 아닌지 학생들과 논의하라.
• 지구에 대한 학생들의 관점이 바뀌었는지, 만약 바뀌었다면 어떻게 바뀌었는지 이야기해 본다.

준비물

• 지구 모형 공(직경 40cm 고무 지구본)
• 직경 25cm 작은 구(팝콘이나 팝콘 씨앗)
• 인터넷이 연결된 컴퓨터
• 스티로폼 구(직경 10cm) 혹은 오렌지

배경지식

지구는 우리 태양계에 있는 네 가지 암석형 행성(수성, 금성, 지구, 화성) 중 가장 큰 행성이다. 하지만 네 가지 기체형 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)보다는 작다. 태양계의 크기는 행성의 크기와 비교했을 때 매우 크다. 태양과 지구 사이의 거리에 10,000개 이상의 지구가 들어간다(지구는 태양의 지름에 100개 이상 들어갈 수 있고 지구-태양 사이의 거리에는 100개 이상의 태양이 들어간다.). 천문학자들은 이 거리를 천문단위(Astronomical Unit, AU)라고 정의한다. 우리의 이웃 행성인 금성과 화성까지의 거리에 각각 3,300개와 6,100개의 지구가 들어간다. 이 개수는 각 행성 궤도에서 행성 간 거리가 가장 가까울 때이다. 보통 우리의 이웃 행성들은 이것보다 더 멀리 있다. 지구에 훨씬 더 가까운 천체인 달까지는 30개의 지구를 지나가야 도착할 수 있다. 이처럼 먼 거리에 있는 다른 행성에서 지구를 되돌아봤을 때 지구는 아주 작은 모양으로 관측된다.

지구는 인류에 의해서 소비되는 유한한 자원을 가진 전형적인 구이다. 지구의 대기는 지구의 직경에 비교하면 매우 얇다. 만약 지구를 사과로 비유한다면 대기층은 사과의 껍질보다도 더 얇다. 사람들은 이 얇은 대기의 성분을 쉽게 바꿀 수 있다. 만약 너무 많은 온실가스가 대기층에 방출된다면 지구는 더 강력한 온실효과로 인해서 더 따뜻해질 것이다. 이것은 해수면 상승, 사막화 증가, 기후 변화와 지구 평균 기온 상승을 유발해 걷잡을 수 없이 극적인 결과를 가져올 수도 있다. 우리를 도와줄 어떠한 외계 생명체나 지구 근처에 있는 생명체 거주 가능 지대의 행성들을 모르는 이상 우리는 지구에 의존해야 한다.

세계시민의식

Universe Awareness(UNAWE) 교육 프로젝트의 주된 목표 중 하나는 학생들에게 세계 시민 의식을 심어주는 것이다. 우리는 방대한 텅 빈 우주를 떠다니는 아주 작은 푸른색 행성에 함께 살고 있다. 일반적으로 행성, 항성과 우주에 대해 극단적인 규모를 다루고 있을 때 당신의 관점은 당신이 살고 있는 지역 공동체에서 지구 공동체로 바뀌어 가야 한다. 이 행성에 살고 있는 모든 사람들은 같은 하늘에서 같은 달과 같은 태양을 바라보고 있다. 천문학을 다루는 것은 어떠한 인간에게도 동일한 경험이다. 우리가 작은 이 구를 함께 나누고 있다는 깨달음은 우리를 하나의 종으로 결속시키고 우리에게 우주에서 가장 안전한 피난처를 보존하기 위해 우리가 함께 할 수 있는지에 대해 생각하게 한다.

이 영상(http://goo.gl/t8l0R)은 UNAWE가 홍보하고자 하는 메시지를 매우 잘 구현한다. 인간이 1960년대 초에 처음으로 우주로 향하여 우주인이 되어 지구를 되돌아봤을 때 그들은 인류가 그 이전에는 관측하지 못했던 것을 보았다: 지구는 텅 빈 우주 공간을 떠다니고 있었고, 밝은 푸른색 공은 어두운 공간과 상반되게 존재했으며, 어두운 배경은 무한하게 펼쳐져 있었다. 우주인들이 경험한 무한한 세계 시민 의식을 ‘조망 효과(overview effect)’라고 한다. 우주에서 지구를 본 영상을 이용하여 누구도 할 수 없을 것 같았던 UNAWE의 메시지를 전달할 수 있었다.

국제 우주정거장

카메라 기술의 발전에 따라 요즘 우주인들은 우리의 행성을 90분마다 한 바퀴씩 돌면서 국제 우주정거장(ISS)에서 보는 초고화질 지구 영상을 찍을 수 있다. 이 화면은 (http://goo.gl/uF2nd) 우리의 행성을 매우 자세하게 보여주면서 국경 없이 번영하는 세계를 보여준다.

우주론

한 종으로서 우리는 우리의 행성을 함께 공유할 뿐만 아니라 하나의 역사를 가지고 있다. 물론 모든 문화는 자신만의 배경을 가지고 있지만 모든 이가 단 하나 가지고 있는 인간 본성은 ‘우주의 역사’이다. 우주론은 우주가 태어나는 바로 그 순간부터 행성이 형성되는 순간에 이르기까지 우주의 역사에 대해서 알려준다. 이 이야기는 우리에게 인류는 자신만의 피부색이나 문화에도 불구하고 모두 같은 물질(우주진)로 이루어져 있음을 알려준다. 이 세상의 어떤 사람을 생각해 보라. 아마도 당신은 한때는 그들의 몸에 있던 원자들을 가지고 다닐지도 모른다.

전체 활동 설명

단계 1 :

우리 지구를 90분마다 한 번씩 공전하고 370km 상공에서 지구의 표면을 내려다보는 ISS에서 찍은 영상을 학생들에게 보여준다.

단계 2 :

학생들에게 지구의 대기에 대해서 알고 있는지 물어본다. 이 활동에서는 지구의 크기와 비교해 지구의 대기가 얼마나 얇고 약한 존재인지 강조한다. 만약 지구가 사과라면 대기는 사과의 껍질보다 얇다. 학생들에게 자신들이 관찰한 것들에 대해서 물어본다.

단계 3 :

비록 학생들은 지구를 우주에서 떠다니는 구의 형태로 보지 않았을지라도(이것을 위해서 ‘우주에서 본 지구’를 보여주어라.) 처음으로 지구에 대한 개요를 가진 것이다. 지구 표면에서 어떻게 낮과 밤 사이의 경계가 동쪽에서 서쪽(오른쪽에서 왼쪽)으로 이동하는지에 대해 설명한다. 만약 배경 빛이 태양으로 고정되었을 때 지구는 축을 중심으로 동쪽으로 자전한다 – 우주에서 북극을 내려다보면 반시계방향으로 회전한다. 만약 우주에서 남극을 내려다보면 지구는 시계방향으로 회전한다(여전히 동쪽 방향이다.).

단계 4 :

이제 우리는 좀 더 먼 곳, 달로 항해한다. 학생들에게 ‘지구가 떠오르는’ 사진을 보여준다(사진은 1968년 아폴로 8호에서 우주인이 찍은 것이다.). 우주인들은 지구가 아닌 천체의 궤도를 돈 첫 번째 인류였다. 그들이 자신의 고향인 지구를 돌아봤을 때 조망 효과라고 불리는 것을 경험했다: 자신들이 알고 있고, 사랑했던 모든 것이 아주 평화로운 상태로 우주에 매달려 있는 작고 푸른 구슬 속에 있었다.

단계 5 :

이 시점에서 당신은 사진에서 모형으로 관심을 돌릴 수 있다. 당신은 지구 모형 공을 가지고 다른 사람에게는 스티로폼 공(직경 10cm)을 주어라. 만약 정확한 크기의 공이 없다면 지구 모형 공에 있는 호주와 크기가 비슷한 구, 예를 들어 오렌지를 사용하면 된다. 만약 당신이 지구 모형 공 대신에 지구본을 사용한다면 같은 비율로 물체의 크기를 조절하면 된다. 예를 들어 직경 20cm 지구본을 사용한다면 5cm 달 모형을 사용하고, 활동을 진행할 때 다른 물체의 크기와 거리를 절반으로 나누면 된다.

단계 6 :

규모에 따라 자원자에게 지구 모형 공으로부터 달 모형 공까지의 거리가 될 것이라고 여겨지는 곳에 모형 공을 잡고 서 있도록 요청한다.

단계 7 :

다른 학생들에게 동의하는지 아닌지에 대해서 물어보고 학생들이 자신들이 생각하기에 정확하다고 생각하는 곳에 서도록 한다. 정답은 지구 모형 공(혹은 사용하고 있는 지구본)을 연속해서 붙였을 때 30개를 놓을 수 있는 거리이다. 그 지구 모형 공이 12m라면 그 거리는 교실 뒤편이거나 심지어 바깥으로 나가야 할지도 모른다. 학생들에게 그 지점에서 지구 모형 공을 보도록 하고 만약 자신들이 달에 서 있다면 지구의 크기가 이와 같이 보인다고 말한다.

단계 8 :

우리의 가상 여행은 이제 다른 행성으로 계속 진행해간다. 학생들에게 교실 뒤편에 서 있도록 한다. 이제 직경이 약 0.25cm인 구, 예를 들어 콘패퍼나 팝콘 씨앗을 쥔다. 학생들은 지구에서 가장 가까이에 있는 화성으로부터 지구를 보고 있는 것이다!

단계 9 :

학생들에게 ‘창백한 푸른 점’ 사진을 보여주는데 이 사진은 지금 해왕성 – 태양계에의 가장 외곽에 있는 행성 – 궤도를 지나고 있는 1977년에 쏘아 올려진 우주선 보이저 1호에서 찍은 사진이다. 물론 보이저 1호는 무인 우주선이다. 사실 어떤 인간도 달보다 더 먼 곳을 탐사하지 못했다. 이 사진에서 당신은 아주 작고 작은 희미한 푸른 점을 볼 수 있다. 이것은 명왕성까지의 평균 거리인 60억km 밖에서 보면 지구가 얼마나 작은지를 보여준다. 일렬로 세우면 백만 개의 반 정도의 지구가 이 거리에 들어간다. 비행기로 이곳까지 날아가면 600년 이상 걸린다! 이 사진에서 보이는 띠는 그냥 ‘잡음’이다.

단계 10 :

학생들에게 지구에 대한 자신의 관점이 변했는지 물어본다. 학생들은 지구를 고갈되지 않는 자원을 가진 충분히 큰 행성이라고 생각하는가? 지구는 유한한 대기와 자원을 가진 구라는 사실을 알려준다. 만약 우리가 우리의 행성을 오염시키면 우주에서 어느 누구도 우리를 도와줄 수 없다. 우리는 도망갈 어떤 곳도 없다. 지구는 우리가 가지고 있는 유일한 집이다.

주석 :

9 ~ 10세의 학생들을 위해서 이 활동을 외계 행성에 있는 생명체를 찾는 활동으로 확장 시킨다. 이때 외계 행성이란 태양계 밖에 있는 행성을 의미한다. 지금까지 약 200개의 외계 행성이 발견되었다. 현재 밝혀진 것을 토대로 <https://exoplanets.nasa.gov/>을 확인해라. 이 활동을 통해서 학생들은 태양계 밖에서 관찰한 지구가 매우 작다는 것을 알았다. 이것은 지구의 관점을 바탕으로 외계 행성이 실제로 매우 작고 찾아내기 힘들다는 것을 보여준다. 그러므로 외계 행성에 생명체가 살고 있는지 아닌지를 결정하는 것은 더욱 어렵다. 충분히 큰 망원경이 있을지라도 천문학자들은 생명을 가진 유기체를 찾기에 충분한 확대는 고사하고 행성 자체를 보는 것도 어렵다.

하지만 외계 행성을 검증할 수 있는 방법은 있다.

학생들에게 만약 생명체가 거주하기에 쾌적한 행성인지 혹은 실제로 생명체가 있는 행성을 확인하는 방법에 대해서 물어본다. 생명체가 살기에 가장 중요한 필요조건은 액체 상태의 물이다. 행성은 물이 증발하지 않도록 중심별로부터 적당히 떨어져 있어야 한다. 하지만 거리가 너무 멀면 물은 얼 것이다. 또한, 해로운 방사선과 큰 온도 차이로부터 생명체를 보호하기 위해서 적절한 양의 대기가 필요하다. 미래에는 초목이 있는지 없는지 추론할 수 있도록 천문학자들은 외계 행성의 색깔을 관측할 수 있는 고급 망원경을 개발할 수 있을 것이다.

하지만 지금까지 우리는 지구와 같은 행성을 발견한 적이 없다. 만약 우리가 지구형 행성을 발견한다면 이 행성은 너무 멀리 있을 것이고 이것은 우리의 망원경으로 행성을 연구하기 매우 어렵다는 것을 의미한다. 이 분야에서는 여전히 많은 연구가 진행될 필요가 있음을 강조한다: 만약 학생들이 천문학자로 성장한다면 학생들은 혁명적인 발견– 생명체를 찾았다 –을 할 수도 있다!

커리큘럼

추가 정보

• 우주인이 경험하는 세계에 대한 인식의 변화는 조망 효과라고 알려져 있다.

http://goo.gl/OuH9v

• ‘The Overview institute’의 Frank White의 블로그(author of “The Overview Effect: Space Exploration and Human Evolution”): http://www.overviewinstitute.org/blog/bloggers/frank-white
• 외부에서 지구를 관찰했을 때 우주인의 삶의 변화– 조망 효과라고 종종 묘사되는 경험의 변화를 다룬 문서인 Planetary Collective에 의해서 촬영된 “조망” 영상 : http://goo.gl/t8l0R
• “좀 더 멀리 있는 : 모든 인류에게 보내는 ISS의 메시지”, 국제 우주정거장에서의 생활과 우주 탐험에서 ISS의 역할에 대해 담고 있는 이탈리아인 영상 제작자 Giacomo Sardelli의 비디오. http://goo.gl/uF2nd
• 이 주제에 대해서 Frank White가 쓴 책: 조망 효과
• 우주론을 통해 우리가 얻은 우주 관점에 대해서 좀 더 읽어보기.http://goo.gl/Fg62S

결론

이 활동은 학생들에게 태양계의 규모와 거리에 대해서 학습하도록 하고 지구는 중요한 존재이지만 얼마나 작은지에 대해서 알게 해준다. 이 활동은 우리가 방대하게 텅 빈 우주를 떠다니는 아주 작은 행성에 함께 살고 있다는 세계 시민 의식을 학생들에게 함양시켜준다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 심현진 교수님과 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.