[25~26] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.
우주가 과거로부터 지금까지 팽창해 왔다면 앞으로 어떻게 될까? 빅뱅 우주론에 따르면 우주의 운명은 우주 탄생과 함께 이미 결정되었다. 이것은 마치 로켓을 공중으로 쏘아 올릴 때 초기 속도를 알면 로켓의 최후를 알 수 있는 것과 같다.
[A][지구 안에서 수직으로 로켓을 쏜다고 가정하자. 지구의 중력을 고려할 때, 만일 로켓이 11㎞/s 이상의 속도로 우주를 향해 날아갈 수 있다면 로켓은 지구 중력계를 탈출할 수 있다. 반대로 로켓의 속도가 그 이하이면 로켓은 상승을 하다 어느 순간에 멈추고, 다시 지구를 향해 떨어질 것이다. 이렇게 로켓의 운명을 결정하는 속도를 ‘임계 속도’라고 부른다. 그런데 지구보다 가벼운 화성은 중력이 지구보다 약하고, 반대로 지구보다 무거운 목성은 중력이 지구보다 강하다. 따라서 11㎞/s 의 속도로 날아가는 로켓은 화성의 중력계에서 간단하게 탈출할 수 있겠지만, 목성 중력계에서는 탈출하기 어렵다.]
이러한 논리를 우주의 팽창에 적용하면 우주가 계속 팽창할지 아니면 팽창을 멈추고 쪼그라들지 알 수 있다. 현재 우주는 300만 광년 멀어질 때마다 약 초속 70㎞ 씩 빨라지는 식으로 팽창하고 있다. 그러나 우주 전체가 가지고 있는 질량은 이 팽창을 방해하는 중력을 낳는다. 그렇다면 현재 우리가 관측한 우주 팽창 속도는 우주가 스스로의 중력으로부터 탈출해 팽창을 계속하게 해 줄 수 있는 속도일까? 우주가 중력으로부터 벗어나기 위한 속도에 해당하는 임계 질량 밀도(또는 임계 에너지 밀도) 값은 얼마일까? 그리고 우주는 임계 질량 밀도에 해당하는 에너지를 가지고 있을까?
천문학에서는 임계 질량 밀도를 Pcrit로 표기하고, 임계 질량 밀도로 우주의 질량 밀도 P를 나눈 값을 ‘밀도 변수’라고 부르고 이것을 Ω(오메가)로 표시한다. 우주의 질량 밀도가 임계 질량 밀도보다 작은 우주, 즉 Ω가 1보다 작은 우주를 ‘열린 우주’라고 부른다. 이는 지금 팽창하고 있는 우주가 앞으로도 계속 팽창할 것이기 때문이다. 반대로 우주의 질량 밀도가 임계 질량 밀도보다 크다면, 우주는 결국 팽창을 멈추고 수축하게 될 것이다. 이렇게 충분히 큰 중력장의 효과로 팽창을 수축으로 전환할 수 있는 우주를 ‘닫힌 우주’라고 부른다. 우주가 정확히 임계 질량 밀도를 가지는 경우, 즉 Ω=1는 ‘평평한 우주’라고 부른다.
이처럼 우주는 공간에 담긴 질량의 크기에 따라 임계 질량 밀도보다 작으면 열린 우주, 같으면 평평한 우주, 크면 닫힌 우주가 된다. 빅뱅의 핵 합성 이론에 따르면 현재의 우주는 질량 밀도가 임계 질량 밀도의 4% 정도밖에 되지 않을 정도로 희박해서 끝없이 팽창하는 열린 우주에 해당한다. 그러나 만일 우주가 현재보다 훨씬 많은 물질과 에너지로 가득 차 있어서 우주의 질량 밀도가 임계 질량 밀도보다 크다면 우주는 어느 순간 팽창을 멈추고 다시 수축하는 닫힌 우주가 될 것이다. 닫힌 우주에서는 결국 은하와 별들까지도 서로 가까워지고 심지어 충돌하게 되어 우주 전체가 초기 우주의 상태와 같이 다시 고온, 고밀도의 상태로 돌아가게 되는데, 이를 ‘대수축’이라고 부른다.
25. 윗글을 바탕으로 (보기)를 해석할 때, 적절하지 않은 것은? (3점)
(보기)
① ‘나’의 우주는 Ω=1로, B 지점 이후 우주의 팽창이 멈추면서 평평한 상태를 유지할 것이다.
② ‘다’의 우주는 Ω ＞ 1이고, A 지점을 지나면서 팽창을 멈추고 수축을 시작할 것이다.
③ ‘가’의 우주는 ‘나’의 우주보다 우주의 질량 밀도가 희박하여 중력장의 효과가 약하다.
④ ‘나’와 ‘다’의 우주는 시간이 지남에 따라 고온, 고밀도의 상태가 될 것이다.
⑤ ‘가’, ‘나’, ‘다’의 우주 모두 ‘현재’ 지점에서 팽창하고 있는 상태이다.
26. [A]를 통해 추론한 내용으로 적절하지 않은 것은?
① 10㎞/s 로 발사된 로켓은 지구 중력계를 벗어날 수 없다.
② 11㎞/s 의 속도를 유지하는 로켓은 목성의 중력계를 벗어나기 어렵다.
③ 서로 다른 행성에서 발사된 로켓의 임계 속도는 행성의 중력에 따라 달라진다.
④ 12㎞/s 의 속도를 유지하는 로켓은 화성과 지구의 중력계를 모두 벗어날 수 있다.
⑤ 지구보다 가벼운 행성에서 로켓이 중력계를 벗어나기 위한 임계 속도는 11㎞/s 보다 크다.
2014년 EBS수능완성국어영역 국어 B형
[수능완성 국어영역 국어 B형 실전편]
실전 모의고사 6회
과학 25~26.
‘열린 우주, 닫힌 우주, 평평한 우주’
지문 이해하기
(해제) 이 글은 빅뱅의 우주론에서 주장한 열린 우주, 닫힌 우주, 평평한 우주에 대해 설명하고 있다. 우주의 임계 질량 밀도와 질량 밀도의 관계에 따라 임계 질량 밀도가 더 큰 상태를 열린 우주라 하고, 질량 밀도가 더 큰 상태를 닫힌 우주, 임계 질량 밀도와 질량 밀도가 같은 상태를 평평한 우주라고 한다.
(주제) 임계 질량 밀도와 질량 밀도의 관계에 따른 우주의 세 가지 모습
흐름 파악하기
* 1문단: 빅뱅의 우주론에 따른 우주의 운명
* 2문단: 중력과 임계 속도와의 관계
* 3문단: 우주의 팽창과 임계 질량 밀도의 관계
* 4문단: 질량 밀도와 임계 질량 밀도의 관계에 따른 우주의 유형
* 5문단: 빅뱅의 핵 합성 이론에 따른 우주의 미래
25. 세부 정보, 핵심 정보 파악
답: ④
정답이 정답인 이유
④ 확인: 고온, 고밀도의 상태
닫힌 우주는 은하와 별들이 점점 가까워지다 충돌하게 되어 초기 우주의 상태와 같은 고온, 고밀도의 상태로 돌아간다. (보기)의 그림에서 닫힌 우주는 ‘다’만 해당된다.
오답이 오답인 이유
① 확인: 우주의 밀도와 임계 질량 밀도가 평형 상태
‘나’는 평평한 우주로, 임계 질량 밀도와 질량 밀도가 같고Ω=1 가 된다. B 지점 이후에는 팽창을 멈추고 평평한 상태를 유지하게 된다.
② 확인: 팽창을 멈추고 수축
‘다’의 우주는 닫힌 우주로, 임계 질량 밀도보다 질량 밀도가 크고 Ω ＞ 1 가 된다. A 지점 이후 우주 질량과 에너지의 중력에 의해 팽창을 멈추고 수축하게 된다.
③ 확인: 우주의 질량 밀도 희박
‘가’의 우주는 열린 우주로, 임계 질량 밀도가 질량 밀도보다 크고 Ω ＜ 1가 된다. 열린 우주는 평평한 우주보다 우주의 질량 밀도가 희박하여 중력의 영향이 미약하다는 특징이 있다.
⑤ 확인: ‘현재’ 지점에서의 팽창
‘현재’ 지점에서 ‘가’, ‘나’, ‘다’ 세 개의 우주는 모두 팽창하고 있는 모습이다.
26. 인과 관계, 상관관계 추론
답: ⑤
정답이 정답인 이유
⑤ 확인: 중력과 임계 속도의 관계
지구보다 가벼운 행성은 지구보다 중력이 작다. 따라서 지구의 임계 속도가 11㎞/s 이므로 지구보다 가벼운 행성에서 로켓을 쏠 경우, 중력계를 벗어나기 위한 임계 속도는 11㎞/s 보다 작게 된다.
오답이 오답인 이유
① 확인: 지구의 중력과 임계 속도
지구의 임계 속도는 11㎞/s 이므로 이보다 작은 10㎞/s 로 발사된 로켓은 지구의 중력계를 벗어날 수 없다.
② 확인: 목성의 중력과 임계 속도
목성은 지구보다 무거우므로 중력도 지구보다 크다. 따라서 목성의 중력계를 벗어나기 위해서는 지구의 임계 속도 11㎞/s 보다 더 빨라야 한다.
③ 확인: 중력과 임계 속도의 관계
임계 속도는 행성의 중력계를 벗어나기 위한 속도이므로, 서로 다른 행성의 중력이 다르면 임계 속도도 달라지게 된다.
④ 확인: 화성의 중력과 임계 속도
화성은 지구보다 가벼운 행성이므로 화성을 벗어나기 위한 임계 속도는 지구보다 작다. 따라서 지구의 임계 속도보다 빠른 12㎞/s 로 로켓을 쏜다면 지구와 화성의 중력계 모두 벗어날 수 있다.