2015 7030 Final 실전 모의고사 B형][실전 모의고사 3회] - 블랙홀의 생성 원리와 구조

[구렛나루]

[23~26] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

우주는 여러 가지 신비한 현상으로 우리에게 많은 상상력을 제공하고 있다. 그중에서도 블랙홀은 빛까지 삼켜 버리는 우주의 무서운 괴물로 단연 ㉠주목을 받는 대상이다. 블랙홀은 검은 구멍이라는 뜻이지만, 사실은 별이 죽어서 한 점으로 오그라든 별의 시체이다.

태양과 같은 별들은 진화의 마지막 단계에서 죽음을 맞이한다. 태양만한 별들은 죽을 때 적색 거성으로 부풀어 올랐다가 백색 왜성으로 남게 된다. 그러나 태양보다 8배 이상의 질량을 가진 큰 별들은 엄청나게 큰 초신성 폭발을 일으킨다. 별이 살아 있을 때는 별의 중력과 내부의 핵융합으로 인한 에너지가 균형을 이루다가 내부의 핵에너지를 다 소모하면, 외부로 ㉡팽창하는 힘은 없어지고 내부로 수축하는 중력만 남아서 한없이 수축하게 된다. 그런데 초신성 폭발 이후 이처럼 엄청난 중력으로 오그라든 것이 중성자별이다. 그런데 태양보다 25배 이상의 질량을 가진 큰 별은 초신성 폭발 이후 남아 있는 질량도 큰데, 그것이 태양 질량의 3배 이상이면 중성자별의 단계를 ㉢초월해 블랙홀이 된다. 즉 질량이 아주 큰 별이 죽음에 이르는 과정에서 블랙홀이 생기는 것이다.

블랙홀의 원리를 이해할 때, 질량이 시공간을 휘어지게 한다는 생각을 바탕으로 한 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 도움을 준다. 이것은 팽팽하고 얇은 고무판 위에 당구공을 올려 놓으면, 당구공의 질량 때문에 고무판이 오목하게 휘는 것과 비슷하다. 물질의 밀도가 높으면 높을수록 시공간은 더 많이 휘어지고, 이런 시공간에서는 곡면 위에서 입자가 지나가는 가장 짧은 축인 측지선도 더 많이 휘게 된다.

[A] [어떤 별을 조금씩 압축시킨다고 상상해 보자. 이 경우에 별의 질량은 그대로인데 크기가 줄어들기 때문에 밀도가 크게 될 것이다. 그런데 계속 압축시켜 가다가 별의 밀도가 어떤 결정적인 값, 즉 임계값을 넘어서게 되면 시공간의 만곡은 측지선이 다시 별로 들어가 버리는 정도에 이른다. 달리 말해서, 별의 표면에서 나온 빛의 입자가 다시 표면으로 빨려 들어간다는 것이다. 따라서 임계값을 넘어설 정도로 압축된 별에서는 빛이 더 이상 빠져나올 수 없게 되고 이것이 바로 블랙홀이다.]

일반 상대성 이론에 따르면 중력이 임계값을 넘어설 정도로 강해질 경우, 별은 중력 때문에 스스로 ㉣붕괴된다. 그리고 모든 물질은 무한대의 밀도를 지닌 한 점, 즉 특이점이라 불리는 영역으로 압축된다. 특이점이라는 이름은 그것이 물리학으로 설명하기에는 한계가 있는 특이한 물체라는 뜻이다.

블랙홀이 형성될 수 있는 한계는 슈바르츠실트 반지름이라는 형태로 표현된다. 이는 1915년 슈바르츠실트가 일반 상대성 이론을 바탕으로 천체 주변의 시공간 구조를 계산해 낸 데서 비롯된 명칭이다. 슈바르츠실트 반지름은 고려 대상이 되는 물체의 질량에 의해 좌우된다. 즉 슈바르츠실트 반지름은 질량에 비례한다. 태양의 경우에 그 값은 3㎞이다. 그러므로 이론적으로는 태양을 블랙홀로 만들려면 반지름이 3㎞가 안 되는 구로 ㉤압축시키면 된다.

흔히 블랙홀이 빛조차 빠져나올 수 없다고 할 때, 이는 블랙홀의 내부와 외부로 나누는 경계가 있음을 전제로 한 것이다. 이런 경계를 가리키는 말이 바로 사건의 지평선이다. 이 지평선은 슈바르츠실트 반지름을 가진 가상의 구가 이루고 있는 경계라고 할 수 있다. 현재까지는 일단 이곳을 넘어선 우주 영역과는 어떤 소통도 불가능한 것으로 알려져 있다.

이렇게 볼 때, 블랙홀의 구조는 단순하다. 자신의 중력에 의해 압축된 특이점과 그것을 둘러싼 사건의 지평선이 전부이다. 하지만 빛이 탈출하지 못하는 경계면인 사건의 지평선 안은 우리의 상상을 초월한 세계이다. 모든 것이 중심의 특이점으로 빠르게 빨려들어 갈 뿐, 공간을 이동할 수도 한 곳에 머물 수도 없기 때문이다.

23. 윗글에서 언급한 내용이 아닌 것은?

① 사건의 지평선의 개념

② 중성자별이 생성되는 원리

③ 슈바르츠실트 반지름이라는 명칭의 유래

④ 진화의 각 단계에 따른 별들의 변화 양상

⑤ 블랙홀의 원리와 일반 상대성 이론의 관계

24. [A]의 서술 방식에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

① 비유적인 표현을 사용하여 대상의 가치를 강조하고 있다.

② 구체적인 사례를 제시하여 대상의 문제점을 서술하고 있다.

③ 과정에 대한 가정을 통해 대상이 발생하는 원리를 설명하고 있다.

④ 다른 대상과의 비교·대조를 통해 대상의 장단점을 제시하고 있다.

⑤ 다양한 측면에 대한 분석을 통해 대상이 지닌 특성을 기술하고 있다.

25. 윗글을 읽은 학생이 (보기)에 대해 보인 반응으로 적절하지 않은 것은?(3점)

(보기)

이 그림은 블랙홀을 간단히 나타낸 것이다. 여기서 ㄱ은 특이점, ㄴ은 슈바르츠실트 반지름, ㄷ은 사건의 지평선을 의미한다.  

① ㄱ에서 밖을 향해 빛을 보낼 경우, ㄷ의 밖에서는 그 빛을 볼 수 없겠군.

② 어떤 별의 질량이 태양보다 3배 정도 큰 경우, ㄴ의 값은 9㎞ 정도이겠군.

③ ㄴ의 값이 30㎞인 어떤 별의 경우, ㄷ의 둘레는 그 별이 태양보다 10배 크겠군.

④ 우주선이 ㄷ의 안으로 넘어갈 경우, 우주선은 ㄱ을 향해 빠른 속도로 빨려들어 가겠군.

⑤ 무인 탐사선을 블랙홀로 보낼 경우, 무인 탐사선이 ㄷ에 착륙하는 것을 관찰할 수 있겠군.

26. ㉠~㉤을 사용하여 만든 문장으로 적절하지 않은 것은?

① ㉠: 새로 배치된 신병은 모든 병사들의 주목을 받는다.

② ㉡: 고무풍선이 너무 팽창해서 터질 것만 같다.

③ ㉢: 그들은 신분의 차이를 초월한 순수한 사랑을 했다.

④ ㉣: 지진으로 인해 가장 오래된 건물이 완전히 붕괴되었다.

⑤ ㉤: 시간이 부족하여 복잡한 절차는 서로 압축하기로 했다.

23. ④ 24. ③ 25. ⑤ 26. ⑤

[23~26] 블랙홀의 생성 원리와 구조

해제 이 글은 우주 공간의 신비한 현상 중 하나인 블랙홀의 생성과 구조에 대해 설명하고 있다. 글쓴이는 먼저 블랙홀의 개념을 밝히고, 질량이 아주 큰 별이 죽어 가는 과정에서 생기는 블랙홀의 생성을 제시하였다. 그리고 일반 상대성 이론을 바탕으로 한 블랙홀이 발생하는 원리를 설명한 후, 특이점, 슈바르츠실트 반지름, 사건의 지평선의 개념을 통해 블랙홀의 구조를 밝히고 있다.

주제 블랙홀의 생성과 구조

내용 흐름 1문단: 블랙홀의 개념

2문단: 블랙홀의 생성 과정

3문단: 블랙홀과 일반 상대성 이론의 관계

4문단: 블랙홀이 발생하는 원리

5문단: 특이점의 개념

6문단: 슈바르츠실트 반지름의 개념

7문단: 사건의 지평선의 개념

8문단: 블랙홀의 구조

23 세부 정보, 핵심 정보 파악 답⃞ ④

| 정답이 정답인 이유 |

④ 진화의 각 단계에 따른 별들의 변화 양상

이 글은 2문단에서 별들의 진화 단계 중 마지막 단계인 죽음의 양상을 설명하고 있으나, 진화의 각 단계에 따라 별들이 변화하는 양상을 설명하고 있지 않다.

| 오답이 오답인 이유 |

① 사건의 지평선의 개념

7문단에서 블랙홀의 내부와 외부로 나누는 경계를 가리키는 사건의 지평선의 개념을 언급하고 있다.

② 중성자별이 생성되는 원리

2문단에서 태양보다 8배 이상의 질량을 가진 큰 별이 초신성 폭발 이후 중력으로 인해 오그라들어 중성자별이 되는 원리를 설명하고 있다.

③ 슈바르츠실트 반지름이라는 명칭의 유래

6문단에서 슈바르츠실트가 일반 상대성 이론을 바탕으로 천체 주변의 시공간 구조를 계산해 낸 데서 슈바르츠실트 반지름이라는 명칭이 유래되었음을 설명하고 있다.

⑤ 블랙홀의 원리와 일반 상대성 이론의 관계

3문단에서 일반 상대성 이론이 블랙홀의 원리를 이해할 때 도움을 주는 관계임을 설명하고 있다.

24 내용 전개 방식 파악 답⃞ ③

| 정답이 정답인 이유 |

③ 과정에 대한 가정

[A]에서는 어떤 별을 조금씩 압축한다는 가정 하에 그 별이 변화하는 과정을 설명하고 있다.

대상이 발생하는 원리를 설명

[A]에서는 어떤 별이 조금씩 압축되는 과정에 대한 가정을 통해 빛이 더 이상 빠져나올 수 없게 된 별인 블랙홀이 발생하는 원리를 설명하고 있다.

| 오답이 오답인 이유 |

① 비유적인 표현을 사용

[A]에서 비유적인 표현을 사용한 부분은 찾을 수 없다.

대상의 가치를 강조

[A]에서는 블랙홀이 발생하는 원리를 설명하고 있을 뿐, 블랙홀의 가치를 강조하고 있지 않다.

② 구체적인 사례를 제시

[A]에서는 구체적인 사례를 제시하며 설명하고 있지 않다.

대상의 문제점을 서술

[A]에서는 블랙홀이 발생하는 원리를 설명하고 있을 뿐, 블랙홀의 문제점을 서술하고 있지 않다.

④ 다른 대상과의 비교·대조

[A]에서는 대상인 블랙홀을 다른 대상과 비교·대조하여 설명하고 있지 않다.

대상의 장단점을 제시

[A]에서는 블랙홀이 발생하는 원리를 설명하고 있을 뿐, 블랙홀의 장단점을 제시하고 있지 않다.

⑤ 다양한 측면에 대한 분석

[A]에서는 대상인 블랙홀을 다양한 측면에서 분석하고 있지 않다.

대상이 지닌 특성을 기술

[A]에서는 빛이 더 이상 빠져나올 수 없다는 블랙홀이 지닌 특성을 언급하고 있다.

25 반응의 적절성 평가 답⃞ ⑤

| 정답이 정답인 이유 |

⑤ 무인 탐사선을 블랙홀로 보낼 경우

이 글에서 블랙홀은 우주 공간에 있는 별임을 알 수 있으므로, 무인 탐사선을 블랙홀을 향해 보낸다는 가정은 가능하다고 할 수 있다.

무인 탐사선이 ㄷ에 착륙하는 것을 관찰

<보기>에서 ㄷ은 사건의 지평선임을 알 수 있고, 이 글의 7문단에서 사건의 지평선은 블랙홀의 외부와 내부를 나누는 경계로 슈바르츠실트 반지름을 가진 가상의 구임을 알 수 있다. 그러므로 가상의 구에 무인 탐사선이 착륙한다는 것은 적절하지 않은 반응이라고 할 수 있다.

| 오답이 오답인 이유 |

① ㄱ에서 밖을 향해 빛을 보낼 경우

4문단의 ‘임계값을 넘어서게 되면 ~ 별의 표면에서 나온 빛의 입자가’와 5문단의 ‘중력이 임계값을 넘어설 정도로 ~ 특이점이라 불리는 영역으로 압축된다.’에서 특이점인 ㄱ에서 밖을 향해 빛을 보낸다는 가정은 가능함을 알 수 있다.

ㄷ의 밖에서는 그 빛을 볼 수 없음

7문단의 ‘흔히 블랙홀이 빛조차 빠져나올 수 없다고 할 때 ~ 이런 경계를 가리키는 말이 바로 사건의 지평선이다.’와 8문단의 ‘빛이 탈출하지 못하는 경계면인 사건의 지평선’에서 ㄷ인 사건의 지평선 밖에서는 그 빛을 볼 수 없음을 알 수 있다.

② 어떤 별의 질량이 태양보다 3배 정도 큰 경우

2문단의 ‘태양보다 8배 이상의 질량을 가진 큰 별들은 엄청나게 큰 초신성 폭발을 일으킨다.’에서 어떤 별의 질량이 태양보다 3배 정도 크다는 가정은 가능함을 알 수 있다.

ㄴ의 값은 9㎞ 정도임

6문단의 ‘슈바르츠실트 반지름은 질량에 비례한다. 태양의 경우에 그 값은 3㎞이다.’에서 질량이 태양보다 3배 정도 큰 별은 슈바르츠실트 반지름도 3배 큰 9㎞ 정도임을 알 수 있다.

③ ㄴ의 값이 30㎞인 어떤 별의 경우

2문단의 ‘태양보다 25배 이상의 질량을 가진 큰 별’과 6문단의 ‘슈바르츠실트 반지름은 질량에 비례한다. 태양의 경우에 그 값은 3㎞이다.’에서 어떤 별의 슈바르츠실트 반지름이 30㎞일 수 있다는 가정은 가능함을 알 수 있다.

ㄷ의 둘레는 그 별이 태양보다 10배 큼

7문단의 ‘이 지평선은 슈바르츠실트 반지름을 가진 가상의 구가 이루고 있는 경계라고 할 수 있다.’에서 슈바르츠실트 반지름이 태양보다 10배 큰 어떤 별의 사건의 지평선의 둘레도 10배 크다는 것을 알 수 있다.

④ 우주선이 ㄷ의 안으로 넘어갈 경우

7문단의 ‘흔히 블랙홀이 빛조차 빠져나올 수 없다고 할 때 ~ 이런 경계를 가리키는 말이 바로 사건의 지평선이다.’에서 ㄷ인 사건의 지평선의 안으로 우주선이 넘어갈 수 있다는 가정이 가능함을 알 수 있다.

우주선은 ㄱ을 향해 빠른 속도로 빨려들어 감

8문단의 ‘빛이 탈출하지 못하는 경계면인 사건의 지평선 ~ 모든 것이 중심의 특이점으로 빠르게 빨려들어 갈 뿐, 공간을 이동할 수도 한 곳에 머물 수도 없기 때문이다.’에서 사건의 지평선 안으로 넘어간 우주선이 특이점인 ㄱ을 향해 빠른 속도로 빨려들어 갈 것임을 알 수 있다.

26 어휘 선택의 적절성 판단 답⃞ ⑤

| 정답이 정답인 이유 |

⑤ ㉤ - 압축

‘태양을 블랙홀로 만들려면 반지름이 3㎞가 안 되는 구로 압축시키면 된다.’에서 ‘압축’은 ‘물질 따위에 압력을 가하여 그 부피를 줄임.’의 의미이다.

복잡한 절차는 서로 압축

‘절차’에는 부피의 의미가 포함되지 않았기 때문에 ‘압축’이라는 단어를 사용하면 적절하지 않다. 여기에는 ‘모양이나 규모 따위를 줄여서 작게 함.’의 의미인 ‘축소’나, ‘전체에서 일부를 줄이거나 뺌.’의 의미인 ‘생략’이 적절하다.

| 오답이 오답인 이유 |

① ㉠ - 주목

‘우주의 무서운 괴물로 단연 주목을 받는 대상’에서 ‘주목’은 ‘관심을 가지고 주의 깊게 살핌. 또는 그 시선’의 의미이다.

모든 병사들의 주목

‘모든 병사들의 주목을 받는다.’에서 ‘주목’도 모든 병사들이 관심을 가지고 주의 깊게 살핀다는 의미이므로 적절한 표현이다.

② ㉡ - 팽창

‘외부로 팽창하는 힘은 없어지고’에서 ‘팽창’은 ‘부풀어서 부피가 커짐.’의 의미이다.

고무풍선이 너무 팽창

‘고무풍선이 너무 팽창해서’에서 ‘팽창’도 고무풍선이 부풀어서 부피가 커진다는 의미이므로 적절한 표현이다.

③ ㉢ - 초월

‘중성자별의 단계를 초월해 블랙홀이 된다.’에서 ‘초월’은‘어떠한 한계나 표준을 뛰어넘음.’의 의미이다.

신분의 차이를 초월

‘신분의 차이를 초월한’에서 ‘초월’도 신분의 차이라는 한계를 뛰어넘는다는 의미이므로 적절한 표현이다.

④ ㉣ - 붕괴

‘별은 중력 때문에 스스로 붕괴된다.’에서 ‘붕괴’는‘무너지고 깨어짐.’의 의미이다.

오래된 건물이 완전히 붕괴

‘오래된 건물이 완전히 붕괴되었다.’에서 ‘붕괴’도 건물이 무너지고 깨어진다는 의미이므로 적절한 표현이다.