안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
지구과학·천문우주
Q. 우리가 살고 있는 지구는 어떻게 탄생한 별인가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.우리가 살고 있는 지구는 우연만으로 탄생한 것이 아니라, 수십억 년 동안 우주의 자연 법칙과 물리적 과정들이 상호작용하며 만들어진 결과입니다. 지구는 태양계의 일부로, 약 46억 년 전에 형성되었습니다. 태양계는 거대한 분자 구름이 중력에 의해 수축하면서 시작되었습니다. 이 분자 구름은 주로 수소와 헬륨으로 이루어져 있었지만, 중력에 의해 수축하면서 밀도가 높아지고, 온도가 상승해 원시 태양이 형성되기 시작했습니다. 이 원시 태양 주위에 남은 가스와 먼지는 회전하며 평평한 원반 모양을 형성했고, 이 원시 행성계 원반에서 행성들이 형성되었습니다. 원반 내의 물질들이 서로 충돌하고 뭉치면서 점차 미행성으로 성장했고, 더 큰 천체인 원시 행성으로 발전했습니다. 지구는 이러한 미행성들이 충돌하고 합쳐지는 과정을 통해 형성되었습니다. 초기 지구는 뜨거운 마그마 상태였으며, 중력에 의해 지구의 중심부가 고체 철과 니켈로 이루어진 핵을 형성하고, 외곽은 고체 맨틀로 구성되면서 지구가 점차 현재의 형태로 발전했습니다. 초기에 지구는 화산 활동이 활발했고, 지표는 매우 뜨거운 상태였습니다. 그러나 시간이 지나면서 지구는 점차 냉각되었고, 표면이 굳어지며 대기가 형성되기 시작했습니다. 지구가 물이 가득한 행성이 된 것은 우주의 특정한 조건과 과정들 덕분입니다. 과학자들은 지구에 물이 형성된 과정 중 하나로, 초기 태양계에서 많은 혜성이나 소행성이 지구에 충돌했을 가능성을 제시합니다. 혜성이나 소행성에는 얼음, 물, 그리고 유기물질이 포함되어 있었으며, 이 충돌로 인해 지구에 물이 전달되었을 것으로 보고 있습니다. 지구의 중력이 충분히 강해 물을 대기와 함께 붙잡아 두었으며, 이는 지구가 물이 풍부한 행성으로 발전하는 데 중요한 역할을 했습니다. 지구는 생명체가 존재하기 적합한 환경을 가지고 있습니다. 이를 결정하는 몇 가지 주요 요인은 다음과 같습니다. 지구는 태양에서 적절한 거리(골디락스 존)에 위치해 있어 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도를 유지합니다. 너무 가깝거나 멀었다면 물이 기체나 고체 상태로만 존재해 생명체가 존재하기 어려웠을 것입니다. 지구는 적절한 크기와 중력을 가지고 있어 대기를 유지할 수 있습니다. 대기가 없었다면 물이 모두 증발하거나 우주로 날아가 생명체가 살 수 없는 환경이 되었을 것입니다. 지구의 자기장은 태양풍과 우주에서 오는 고에너지 입자로부터 지구를 보호해 대기와 물을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 만약 자기장이 없었다면, 대기와 물이 태양풍에 의해 서서히 소실될 수 있었습니다. 지구와 같은 행성이 탄생할 확률은 낮지만, 이를 완전히 우연의 결과로 보기에는 어렵습니다. 우주는 매우 광활하고, 많은 별과 행성들이 존재합니다. 과학자들은 외계 행성 탐사를 통해 지구와 비슷한 환경을 가진 행성들이 더 있을 것으로 추정하고 있습니다. 현재까지 발견된 수천 개의 외계 행성 중에는 지구와 비슷한 크기와 위치를 가진 행성들도 있지만, 지구와 같은 생명체가 살기 적합한 조건을 가진 행성은 드물어 보입니다.우연보다는 우주의 자연 법칙이 작용한 결과로, 지구는 특정 조건들이 모두 맞아떨어진 매우 특별한 행성이라고 할 수 있습니다. 하지만 우주의 광대한 크기와 다양성을 고려하면, 지구와 유사한 행성이 있을 가능성도 배제할 수는 없습니다.
지구과학·천문우주
Q. 우주에 존재하는 모든 물질에 대한 질량을 구하는게 가능한가요??
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.우주에 존재하는 모든 물질에 대한 질량을 구하는 것은 매우 복잡하고 어려운 문제입니다. 그러나 과학자들은 여러 가지 관측과 이론을 바탕으로 추정할 수 있는 방법을 개발해 왔습니다. 이 과정에서 계산이 안 맞는 부분들이 발견되었고, 그 결과로 암흑물질과 암흑에너지라는 개념이 등장했습니다. 과학자들은 우주에 존재하는 모든 물질과 에너지를 크게 세 가지로 분류합니다. 우리가 일상적으로 알고 있는 원자와 분자로 이루어진 물질인 보통물질이 별, 행성, 은하, 그리고 우리 몸을 구성하는 물질 모두가 이에 해당합니다. 하지만 이것은 우주 전체 질량의 약 5%에 불과합니다. 눈에 보이지 않지만 중력을 통해 그 존재가 확인된 물질로서 암흑물질을 생각하게 되었으며 이 물질은 빛과 상호작용하지 않아 직접적으로는 관측할 수 없지만, 은하의 회전 속도나 은하단 내에서 중력 효과를 통해 그 질량을 추정할 수 있습니다. 우주의 약 27%를 차지하는 것으로 추정됩니다. 우주가 가속 팽창하는 원인으로 제시된 미지의 에너지로서 암흑에너지를 생각하기도 하지요 우주의 나머지 약 68%는 이 암흑에너지로 구성되어 있다고 생각됩니다. 은하의 별들이 회전하는 속도를 측정함으로써, 그 은하가 얼마나 많은 질량을 가지고 있는지를 추정할 수 있습니다. 그러나 이 방법으로 측정한 질량과 관측된 별과 가스의 양을 비교했을 때, 질량이 훨씬 더 많다는 것을 발견했습니다. 이는 암흑물질이 존재한다고 추정하게 된 이유 중 하나입니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 질량이 큰 물체는 주변의 시공간을 휘게 만듭니다. 이를 통해 빛이 휘어지며, 우리가 보는 은하 뒤에 있는 물체의 빛이 렌즈처럼 휘어지는 현상이 나타납니다. 이 중력렌즈 효과를 통해 그 은하나 은하단의 질량을 추정할 수 있습니다. 이 과정에서도 암흑물질이 있음을 추정할 수 있게 됩니다. 우주배경복사는 빅뱅 이후 남아 있는 아주 미세한 복사 에너지입니다. 이 복사를 분석하면 우주의 물질과 에너지 분포에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. CMB의 작은 온도 변동을 분석함으로써 과학자들은 우주의 물질 밀도와 암흑물질, 암흑에너지의 비율을 추정할 수 있습니다. 허블 상수는 우주의 팽창 속도를 나타내며, 이를 통해 우주에 얼마나 많은 질량과 에너지가 있는지를 간접적으로 추정할 수 있습니다. 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 사실은 암흑에너지의 존재를 시사하며, 우주의 전체 에너지와 질량을 추정하는 데 중요한 역할을 합니다. 우주의 물질 질량을 계산하려는 과정에서 과학자들은 보이는 물질만으로는 관측된 우주의 중력과 운동을 설명할 수 없다는 사실을 발견했습니다. 이로 인해 암흑물질과 암흑에너지가 존재한다고 결론지었습니다. 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않지만 중력으로 그 존재를 확인할 수 있는 물질입니다. 예를 들어, 은하들이 예상보다 빠르게 회전하는 이유가 암흑물질의 중력 때문이라고 여겨집니다. 암흑에너지는 우주의 팽창을 가속화하는 원인으로, 직접적으로 관측되지 않지만 우주의 대규모 구조와 팽창을 설명하는 데 필요합니다. 블랙홀과 같은 천체는 무한대 질량을 가지지 않으며, 그 질량은 유한합니다. 다만 그 중력장이 매우 강해서 빛조차 탈출할 수 없을 뿐입니다. 블랙홀의 질량 역시 관측을 통해 추정할 수 있으며, 이 질량도 우주의 총 질량에 포함됩니다. 우주의 모든 물질에 대한 질량을 "정확하게" 계산하는 것은 불가능에 가깝습니다. 그러나 다양한 관측 데이터를 통해 추정하는 것이 가능합니다. 이 추정치는 계속해서 개선되고 있으며, 새로운 관측 기술과 이론들이 발전함에 따라 더 정확한 값이 나오고 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 우리가 달의 한쪽 면만 볼 수 있는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.달은 지구 주위를 약 27.3일에 걸쳐 한 바퀴 공전합니다. 그런데 달은 자전하는 데도 정확히 같은 27.3일이 걸립니다. 즉, 달이 한 바퀴 자전하는 시간과 지구 주위를 한 바퀴 도는 시간이 동일합니다. 이 때문에 달이 지구를 공전하는 동안 자전도 같은 속도로 이루어져, 지구에서는 항상 달의 같은 면을 보게 됩니다. 달이 자전하는 동안 그 반대편 면이 지구를 향하게 될 시간이 없다는 것이죠. 동주기 자전은 달이 형성된 후 수십억 년 동안 지구의 중력적 상호작용에 의해 발생했습니다. 지구의 중력이 달에 작용하여, 달의 자전 속도를 점점 느리게 만들어 결국 공전 주기와 자전 주기가 같아지도록 고정시킨 것입니다. 달의 중력 때문에 지구에는 조석 현상(바다의 밀물과 썰물)이 발생하는데, 반대로 지구의 중력도 달에 영향을 주어 자전 주기가 공전 주기와 같아지도록 만들었습니다. 달의 한쪽 면만 지구에서 보이기 때문에, 달의 반대편 면을 우리는 달의 뒷면 또는 달의 먼 면이라고 부릅니다. 이 뒷면은 지구에서는 볼 수 없으며, 1959년에 소련의 루나 3호가 최초로 달의 뒷면 사진을 찍어 인류가 달의 뒷면을 처음으로 관찰할 수 있었습니다. 달의 뒷면은 지구에서 관측할 수 없지만, 인공위성이나 우주 탐사선을 통해 관측이 가능합니다. 비록 달의 한쪽 면만 보이지만, 달의 궤도가 완벽한 원이 아니라 타원형이기 때문에 석화 운동(libration)이라는 현상이 발생합니다. 이로 인해 지구에서는 달의 표면 중 약 59%를 관측할 수 있습니다. 즉, 달의 일부는 시간에 따라 살짝씩 보이는 경우가 있지만, 대부분은 항상 같은 면을 보게 되는 것입니다.
지구과학·천문우주
Q. 낮에도 달이 보이는 이유가 무엇인지 궁금합니다.
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.달은 지구 주위를 약 27.3일 주기로 공전하며, 태양과 지구의 상대적인 위치에 따라 보이는 모습이 달라집니다(위상 변화). 달이 지구 주위를 도는 과정에서 지구에서 달을 볼 수 있는 각도가 시시각각 변하기 때문에, 달이 밤하늘에만 보이는 것이 아니라 낮에도 하늘에 떠 있을 수 있습니다. 상현달이나 하현달 시기에는 달이 태양과 90도 각도로 위치하게 되어, 태양이 뜨는 낮 시간 동안에도 달이 지구의 하늘에 떠 있게 됩니다. 달은 자체적으로 빛을 내지 않지만, 태양빛을 반사하여 빛납니다. 낮에도 태양빛을 반사한 달이 하늘에 떠 있을 경우, 지구에서 그 반사된 빛을 관찰할 수 있습니다. 태양이 지구의 하늘에 떠 있는 동안에도, 달 역시 태양빛을 반사하기 때문에 눈에 보이는 것이죠. 특히, 하늘이 맑고 태양이 강하게 빛나더라도 달의 반사된 빛은 충분히 밝아서 눈에 띌 수 있습니다. 낮에는 태양이 하늘을 비추면서 하늘이 밝고 푸르게 보입니다. 하지만 달은 지구에서 지구 대기를 통해 충분히 선명하게 볼 수 있는 거리에 있습니다. 지구 대기의 투명도와 달의 반사된 빛이 함께 작용해, 낮에도 달이 비교적 쉽게 눈에 들어오는 것입니다. 구름이 없는 맑은 날에는 달이 더 잘 보일 수 있습니다. 반면에 구름이 많거나 대기가 불안정한 날에는 달이 잘 보이지 않을 수 있습니다. 달은 지구 주위를 공전하면서 매일 조금씩 다른 시간대에 하늘에 나타나게 됩니다. 초승달이나 보름달은 밤 시간대에 더 자주 보이는 반면, 상현달과 하현달은 낮에 보이는 경우가 많습니다. 특히, 상현달은 오후 시간대에, 하현달은 오전 시간대에 쉽게 볼 수 있습니다. 태양과 달이 하늘에 떠 있는 각도에 따라, 낮에도 달이 보이게 됩니다. 태양과 달이 하늘에서 충분히 떨어져 있을 때, 달은 밝은 낮에도 눈에 보일 수 있습니다. 달이 태양과 가까워지면 달이 보이지 않지만, 태양과 달의 각도 차이가 크다면 낮에도 달을 관측할 수 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 유리창문은 낮에 밖에서 잘 보이나요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.낮에 밖이 밝으면, 실내보다 외부에서 창문에 반사되는 빛이 더 강합니다. 빛은 더 밝은 쪽에서 더 많이 반사되기 때문에, 밖에서 창문을 보면 바깥의 풍경이나 햇빛이 유리 표면에 강하게 반사되어 실내가 잘 보이지 않게 됩니다. 반대로 실내가 더 밝으면(예를 들어 밤에 실내등이 켜져 있을 때), 실내에서 나오는 빛이 창문을 통해 밖으로 투과되면서 안이 잘 보일 수 있습니다. 유리는 반투명한 재료로, 빛을 어느 정도 반사하고 일부는 투과시킵니다. 낮에는 햇빛 등 외부의 빛이 강하게 유리 표면에 반사되기 때문에, 밖에서 실내를 보려고 할 때 주변 환경의 반사된 이미지가 더 두드러져 실내가 잘 보이지 않게 됩니다. 유리는 일정한 비율로 빛을 반사하고 투과하지만, 밝기 차이와 시선 방향에 따라 반사되는 이미지가 더 우세할 때는 실내가 잘 보이지 않게 되는 것이죠. 유리창에서 발생하는 빛의 굴절과 반사도 실내를 보는 데 영향을 미칩니다. 유리는 빛을 굴절시키며 일부 빛을 반사합니다. 밖이 밝을 때는 반사된 빛이 더 커지면서 실내가 흐릿하게 보이거나 거의 보이지 않게 됩니다.