은하수에서 살아남기

목적

이 활동은 우리은하를 학생들에게 소개한다. 학생들은 우리은하가 어떻게 생겼는지에 대해서 학습하고 우리은하에 있는 물체들과 그들 사이의 거리에 대해서 배운다. 이 활동을 하는 동안 학생들은 우리은하의 모형을 만들어본다.

학습 목표

이 활동을 실행하고 나서 학생들은 다음과 같은 것을 할 수 있을 것이다.

• 우리은하가 어떻게 생겼는지 묘사한다.
• 우리은하에서 태양계의 위치를 찾는다.
• 우리은하가 먼지, 기체, 많은 별들로 이루어져 있음을 설명한다.
• 우주와 비교해서 지구와 우리은하는 아주 작은 존재임을 설명한다.
• 은하수라는 이름의 유래를 설명한다.

평가

• 학생들의 지식을 평가하는 한 가지 방법은 학생들에게 우리은하와 다른 은하 사진을 비교하도록 하는 것이다(분류).
• 학생들이 우리은하가 움직이는 방법에 대해서 생각하고 우리은하의 크기를 알아낸 방법에 대해서 상상해 보도록 한다.
• 좀 더 고전적인 방법으로는 은하의 설명과 맞는 용어를 고르게 하거나 적절한 용어로 빈칸 채우기를 하는 것도 유용한다.

준비물

학생 1인 혹은 모형 한 개 당:

• PDF 활동지
• 검은색 A4 용지 1장
• 컴퍼스 1개
• 가위
• 흰색 물감
• 빨간색 물감
• 붓
• 탈지면
• 풀
• 빨간색 점토
• 꼬치 5개
• 낚싯줄

학급에서:

• 인터넷이 연결된 컴퓨터
• 유튜브의 Powers of Ten 영상 (https://www.youtube.com/watch?v=0fKBhvDjuy0)

배경지식

우리은하 :

우리의 고향 우리은하는 가장 전형적인 표본인 태양을 포함하여 약 2000억 개의 별로 구성되어있다. 우리은하는 상당히 큰 나선은하인데 주로 3가지 구성요소로 나뉜다: 태양계가 있는 원반, 중심부의 팽대부, 이 모두를 아우르는 헤일로.

우리은하의 원반에는 4개의 나선팔이 있고 원반의 두께는 약 300파섹이고(1파섹은 약 3.26광년이다.) 직경은 약 30,000파섹이다. 빛의 속도로 움직였을 때 태양에서 해왕성까지 4시간 걸린다는 것과 비교해라! 은하수의 대부분은 파란색이고 수백만에서 수백억년 정도의 상당히 어린 종족Ⅰ 별들로 구성되어있다.

광년 :

광년은 천문학자들이 천문학적 거리를 측정하는 방법이고 이것은 별이 1년 동안 이동하는 거리로서 약 9.46조 킬로미터와 같다.

은하의 중심에 있는 팽대부는 1000파섹 X 6000파섹 정도 크기로 우리은하는 납작한 회전타원체이다. 팽대부는 종족Ⅱ 별들이 우세한 고밀도 지역이다. 종족Ⅱ 별은 빨갛고 약 10억년 이상의 매우 늙은 별들이다. 팽대부의 중심에는 매우 거대한 블랙홀이 있다는 증거가 발견되고 있다.

블랙홀 :

블랙홀은 우주의 괴물과 같다! 블랙홀이 매우 강한 힘으로 잡아당기기 때문에 블랙홀과 매우 가까이 있는 어떠한 물체라도 탈출할 수 없다. 심지어 우주에서 가장 빠른 빛조차도 만약에 이 괴물 중 하나의 근처에 있다면 불행한 운명을 피할 수 없다. 이것이 블랙홀이 왜 블랙인지에 대한 이유이다. 하지만 블랙홀은 실제로 구멍이 아니며 비어있지도 않다. 블랙홀은 실제로 극심하게 작은 공간이 많은 물질들로 가득 채워져 있다.

퍼진 구형태의 헤일로는 원반 주위를 둘러싸고 있다. 헤일로는 주로 구상성단(10,000 ~ 1,000,000개 정도의 별들로 구성되어 있다.)에 있는 늙은 별이 저밀도로 존재한다. 헤일로에는 원반 가장자리로부터 훨씬 먼 곳까지 암흑물질이 퍼져 있다.

암흑물질 :

과학자들에 따르면 우주 질량의 약 96%는 직접 관측되지 않는 물질들로 구성되어있다. 이들 중 암흑물질이라고 알려진 물질은 빛이나 에너지를 내지 않는다.

은하의 분류 :

주로 나선은하와 타원은하 두 가지로 나누지만 렌즈형은하 혹은 불규칙은하도 있다.

나선은하의 범주에 우리은하가 포함되어 있다. 나선은하는 은하의 모양이나 팽대부의 상대적인 크기 등에 따라 몇 가지 종류로 나뉜다: 전형적인 나선은하들은 Sa, b, c, d, m으로 나누고 나선은하 팔 내부에 막대가 발달되어 있는 경우는 SBa, b, c, d, m으로 나눈다. 나선은하는 원반 내부에 기체의 존재 여부에 따라 특징지어진다. 기체가 있으면 별의 형성이 활발하게 되며 이러한 이유로 좀 더 젊은 종족의 별들로 구성된다. 나선은하는 주로 저밀도 은하 영역에서 발견되는데 이곳에서 나선은하는 주변 은하들로부터 받는 조석력에 의해 자신들의 형태가 파괴되는 것을 피할 수 있다.

조석력:

이 힘은 지구와 달처럼 서로의 궤도를 돌고 있는 두 물체 사이에 작용하는 중력의 2차적인 힘이다. 조석력은 조수의 변동을 일으키고 위성이 자신들의 행성을 공전하기 때문에 특정 위성들의 동주기 회전을 일으킨다.

타원은하는 은하의 이심률에 따라 E0-7로 분류되는데 E0가 가장 구 형태에 가깝다. 타원은하들은 높은 광도를 가지며 나선은하의 팽대부와 비슷한 형태를 보이지만 원반은 없다. 타원은하들은 보통 은하단 중심의 고밀도 환경에서 발견된다.

렌즈형은하는 S0라고 불리며 비록 팽대부와 원반 모두 갖추고 있지만 나선팔이 없다. 렌즈형은하는 기체를 거의 가지고 있지 않으므로 모든 별은 나이가 많다. 렌즈형은하는 중간 밀도 환경에서 볼 수 있다.

불규칙은하는 작은 은하이며 원반이 없는 불분명한 형태를 보인다. 불규칙 은하는 Irr로 나타낸다.

전체 활동 설명

팁 : 육안으로 우리은하를 찾을 수 있다. 8월에 달이 초승달 무렵일 때 우리은하를 관측하기 가장 적절하다. 가능하다면 학생들이 은하수를 직접 관측할 수 있도록 하여라.

사전준비 :

더 나아가서 Powers of Ten 영상을 찾는다. 집중해서 이 영상을 시청하고 논의하게 될 질문에 대해서 선생님은 정확하게 알고 있어야 한다. 이 영상을 학생들에게 보여줄 준비를 한다.

활동 1 : 점점 더 멀리

단계 1 :

학생들과 함께 활동지의 과제1에 있는 전자 메일을 읽는다. 학생들은 연구원들로부터 받은 다음과 같은 질문에 대해서 해답을 찾아야 한다.

• 우리은하는 어떻게 생겼는가?
• 우리은하는 태양계에서 대략 어느 위치에 있는가?
• 지구에서 은하의 전체모습을 볼 수 없는 이유는 무엇인가?
• 지구는 우주와 비교했을 때 클까 작을까?
• 우주와 비교했을 때 우리은하는 클까 작을까?
• 은하수를 이루고 있는 물질은 무엇일까?

단계 2 :

연구원들의 질문에 대한 해답을 찾기 위해서 학생들과 같이 Powers of Ten 영상을 시청한다. 이 영상은 미국의 초원에 소풍을 나가는 것에서부터 우리은하 너머의 세상에 이르기까지의 여정을 보여준다. 이 영상 속 여정의 중간에 초원으로 돌아와 소풍을 즐기고 있는 한 사람의 손으로 들어간다. 학생들은 거대한 크기의 우주와 지구의 크기가 얼마나 작은지에 대한 좋은 인상을 얻고 영상에서 소풍 장소로 돌아갈 때까지 관람한다.

단계 3 :

학생들과 전체 영상을 보기 시작한다. 학생들이 보고 있는 장면에 대해서 설명한다. 그 영상을 다시 한번 더 보자. 이번에는 연구원의 질문들에 대해 학생들이 응답할 기회를 주기 위해서 이와 관련된 부분에서 영상을 멈춘다. 학생들이 영상을 모두 보면 a에서 e에 해당하는 질문에 대해서 대답할 수 있을 것이다. 일단 학생들이 은하수 만들기 공예 작품을 한다면 마지막 질문에 대해서 응답할 수 있을 것이다.

단계 4 :

학생들은 우리은하가 어떻게 생겼는지, 태양계와 관련해서 우주에서 우리은하의 위치가 어디인지에 대해서 조사한다.

활동 2 : 우리은하 만들기

이제부터 학생들은 우리은하가 어떻게 생겼는지에 대해서 생각을 하면서 우리은하 모형 만들기를 한다. 학생들은 활동지의 과제 2를 완료한다.

활동 3 : 우리은하에 대해서 무엇을 알고 있지?

학생들은 과제 3에 대한 소개를 읽고 과제 1에 제시된 연구 문제들에 대한 모든 답을 적는다. 필요하다면 Powers of Ten의 영상을 한 번 더 시청한다. 전자 메일의 대답에 대해서 논의한다.

• 우리은하를 측면에서 볼 수 있다면 중간에 팽대부가 있는 접시 모양으로 보일 것이다.
• 지구가 있는 태양계는 은하수의 중심에서 2/3지점인 나선팔에 위치해있다.
• 우리는 우리은하 전체를 관찰하기 위해서 우리은하 밖으로 나가기에 충분한 에너지를 가지고 있는 어떠한 망원경도 가지고 있지 않다. 우리은하에 대해 알려진 사진들은 진짜 사진 같아 보이지만 사실 우리가 생각하는 우리은하의 모습은 예술가의 상상도로 나타낸 것이다. 하늘이 어두울 때 은하수 원반의 일부분을 보는 것은 가능하다고 설명한다. 지구에서 우리은하의 원반 부분의 사진을 촬영하는 것은 쉽다. 왜냐하면 이 부분은 우리가 관측할 수 있는 부분이기 때문이다.
• 이 질문의 가장 중요한 부분은 학생들이 우리의 태양계가 우리은하의 아주 작은 부분에 불과하다는 것을 아는 것이다.
• 여기에 덧붙여 우리은하는 그보다 더 큰 우주의 아주 작은 부분에 불과하다.
• 우리은하는 먼지, 기체 그리고 최소한 2000억 개의 항성들로 구성되어있는데 항성의 대부분은 원반에서 발견된다. 우리은하는 오래된 별, 어린 별, 먼지, 기체 구름들로 이루어져 있다. 은하수는 중심부의 팽대부와 4개의 큰 나선팔과 일부 작은 나선팔로 이루어져 있다.

알면 좋은 점: 빛은 태양에서 출발해서 지구에 도달하기까지 8분의 시간이 걸린다. 다른 항성의 빛이 지구에 도달하는 데는 더 긴 시간이 걸린다. 그래서 우리가 우주를 볼 때 실제로는 과거를 보고 있는 것이다. 우리은하의 질량은 태양 질량의 약 1000억 배에 해당할 것으로 예측한다.

활동 4 : 우리은하 이름

학생들에게 우리은하의 이름이 은하수(Milky Way)라고 불리게 되는 유래에 대해서 알고 있는지 물어본다.

이집트 신화에서 은하수라는 이름은 하늘의 소에서 나오는 우유에 의해서 만들어졌다고 묘사된다. 하늘의 소가 가진 4개의 발은 지구의 4개의 모퉁이라고 알려진다. 그리스 신화에서는 제우스의 아내인 헤라에 대한 이야기를 들려주는데 아들 헤라클레스에게 모유를 먹이고 있던 헤라는 헤라클레스가 자신의 아들이 아니라는 것을 알아차리고 헤라클레스를 밀쳐냈고 그때 모유가 쏟아져 지금의 은하수를 만들었다는 것이다.

여기서 학생들은 옛날 사람들이 은하수가 실제로 무엇인지를 몰랐다는 것을 깨닫는 것이 중요하다.

커리큘럼

추가 정보

우리가 볼 수 있는 우리은하의 영역은 어디인가?

https://www.youtube.com/watch?v=pdFWbEwsOmA

결론

이 활동은 학생들이 우리은하의 모양과 구성 물질에 대해서 학습할 수 있도록 한다. 학생들은 거리에 대해서, 특히 우리은하에서 태양계의 위치에 대한 생각을 가진다. 이 활동을 하는 동안 학생들은 우리은하의 모형을 만들어본다.

 감사의 글

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