이 단원은 별의 밝기와 거리, 표면 온도와 반지름과 광도의 관계, H-R도, 그리고 별이 태어나 주계열을 거쳐 최후를 맞기까지의 진화 과정을 다룹니다. 아래 시험지 20문항으로 거리 지수와 광도 계산이 익숙한지, 질량에 따라 달라지는 진화 경로를 구분하는지 확인합니다. 수식 몇 개와 그림 하나로 많은 내용을 읽어 내는 단원입니다.
📝 별의 특성과 진화 시험지 — 20문항, 정답·해설은 뒤쪽 별지
이름
날짜
점수/100
배점 · 20문항 · 한 문항 5점 · 100점 만점 · 권장 풀이 시간 30분 · 기본·보통·심화가 섞여 나옵니다(정답·해설은 별지).
‘PDF 만들기’를 누르면 화면과 같은 문제로 A4 PDF 파일이 내려받아지고, 폰에서도 됩니다. 같은 학년·같은 과목 문제는 하루에 한 번 만들어지고, 그날은 같은 문제가 다시 나옵니다. 인쇄물 맨 위에 이름·날짜·점수 칸이 함께 찍힙니다.
원장 한마디
별의 특성과 진화는 외울 것도 있고 계산할 것도 있는 단원입니다. 이 시험지는 20문항이라 한 번 앉아서 끝낼 만합니다. 거리 지수나 광도 계산이 나오면 풀이를 종이에 직접 적게 하세요. 답만 적어 두면 어디서 틀렸는지 나중에 알 길이 없습니다.
모르는 문항은 해설부터 펴지 말고 번호에 표시만 해 두십시오. 한참 붙들고 있다가 틀려 보는 시간이 H-R도를 읽거나 질량에 따른 진화 경로를 가르는 데 오히려 도움이 된다고 저는 봅니다. 많이 푸는 것보다 한 장을 제 손으로 끝까지 푸는 쪽이 낫습니다.
종이로 풀 때는 이 시험지를 쓰시고, 화면에서 풀고 바로 채점하려면 화면에서 풀고 채점하기를 누르세요.
— 수학의 신호 원장
별의 특성과 진화, 무엇을 배우나
먼저 별의 물리량을 읽는 부분이 있습니다. 겉보기 등급과 절대 등급의 차이로 거리를 구하는 거리 지수 m−M = 5 log d − 5, 광도가 반지름의 제곱과 표면 온도의 네제곱에 비례한다는 L ∝ R²T⁴, 최대 복사 파장이 표면 온도에 반비례한다는 빈의 변위 법칙이 중심입니다.
다음으로 이 물리량들이 H-R도 위에서 별의 진화로 이어집니다. 수소 핵융합을 시작한 주계열성은 중심핵의 수소가 고갈되면 적색 거성 쪽으로 이동하고, 태양 정도의 질량이면 행성상 성운을 거쳐 백색 왜성이 되며, 질량이 매우 큰 별은 철 핵 형성과 초신성 폭발로 이어집니다.
별의 특성과 진화에서 헷갈리는 곳
질량에 따른 결말 혼동 태양 정도 질량의 별은 백색 왜성으로 끝나고, 초신성 폭발과 중성자별, 블랙홀은 질량이 매우 큰 별의 결과입니다. 두 경로를 섞은 보기가 선지에 함께 놓입니다.
광도 계산의 거듭제곱 L ∝ R²T⁴에서 온도는 4제곱, 반지름은 2제곱입니다. 표면 온도가 3배이고 반지름이 1/3배인 별의 광도가 9배로 오히려 커지듯, 작은 별이 어두우리라는 직관이 틀릴 수 있습니다.
거리와 밝기의 관계 6−1 = 5이면 5 log d − 5 = 5이므로 log d = 2, 곧 100 pc입니다. 겉보기 밝기는 L/d²에 비례하므로 광도를 비교할 때는 거리의 제곱을 곱해야 하고, 단위 pc도 빠뜨리면 안 됩니다.
시험지에서 뽑아 본 문제
두 별 A, B의 최대 복사 에너지를 내는 파장(λmax)이 각각 400 nm, 800 nm일 때, 이에 대한 설명으로 옳은 것은? ① A의 표면 온도는 B의 2배이다. ② B의 표면 온도는 A의 2배이다. ③ A의 표면 온도는 B의 4배이다. ④ B의 표면 온도는 A의 4배이다.정답 · ① A의 표면 온도는 B의 2배이다. — 빈의 변위 법칙에 따라 λmax는 표면 온도에 반비례한다. A의 λmax가 B의 1/2이므로 A의 표면 온도는 B의 2배이다.
질량이 태양의 10배인 주계열성이 태양보다 주계열 단계에 머무르는 기간이 훨씬 짧은 까닭으로 가장 적절한 것은? ① 수소의 양이 태양보다 적어 빨리 소진되기 때문이다. ② 중심핵 온도가 낮아 핵융합이 느리게 진행되기 때문이다. ③ 질량 증가에 비해 광도가 훨씬 크게 증가하여 수소를 빠르게 소모하기 때문이다. ④ 주계열 단계를 거치지 않고 곧바로 거성이 되기 때문이다.정답 · ③ 질량 증가에 비해 광도가 훨씬 크게 증가하여 수소를 빠르게 소모하기 때문이다. — 질량이 큰 별은 연료의 양은 많지만 광도가 질량보다 훨씬 큰 비율로 증가하여 연료를 매우 빠르게 소모한다. 그 결과 주계열 단계의 수명이 짧아진다.
절대 등급이 −1등급인 별 A는 절대 등급이 +4등급인 별 B보다 광도가 몇 배 큰가? (단위 포함)정답 · 100배 — 등급이 5 작으면 광도는 100배 크다. 두 별의 절대 등급 차는 4−(−1)=5이므로 L_A/L_B = 100^(5/5) = 100배이다.
두 별 (가), (나)에 대한 설명으로 옳은 것은? 태양의 표면 온도를 5800 K으로 하여 가상의 두 별을 비교한다. (가)의 표면 온도는 5800 K이고 광도는 태양의 10⁴배이다. (나)의 표면 온도는 11600 K이고 광도는 태양과 같다. ① (가)의 반지름은 (나)의 약 400배이다. ② (가)의 반지름은 (나)의 약 100배이다. ③ (나)의 반지름은 (가)보다 크다. ④ (가)는 (나)보다 최대 복사 에너지를 내는 파장이 짧다.정답 · ① (가)의 반지름은 (나)의 약 400배이다. — L ∝ R²T⁴에서 R ∝ √L / T²이다. (가)의 반지름은 태양의 √10⁴ = 100배이고, (나)는 1/(2²) = 0.25배이므로 비는 100/0.25 = 400이다. (가)는 온도가 낮아 최대 복사 파장이
시험지는 같은 단원의 기본·보통·심화 문항을 섞어 20개로 냅니다. 위 문제는 그 가운데 몇 개를 옮겨 놓은 것입니다.
별의 특성과 진화 시험지에 나오는 문항 모양
원리 적용
선다형
단답형
선다
실험 설계·결과 해석
단답
집에서 이 단원을 공부하는 순서
먼저 거리 지수, L ∝ R²T⁴, 빈의 변위 법칙을 노트에 따로 적고 숫자를 바꿔 가며 계산합니다. 하루 15분쯤 한 식씩 잡아 로그와 제곱, 네제곱 계산이 막힘 없이 되면 다음 단계로 넘어갑니다.
계산이 익으면 빈 종이에 H-R도를 그려 오른쪽 위, 주계열 띠, 왼쪽 아래에 어떤 별이 오는지 적고, 태양 정도 질량의 별과 매우 큰 별의 진화 경로를 화살표로 잇습니다. 하루 20분 정도 그리고, 문항에서는 보기를 근거를 대며 하나씩 지워 갑니다.