달의 탄생
우리가 살고 있는 태양계의 중심은 태양이다. 지구를 비롯하여 목성과 같은 거대한 행성이나 수십억 km 떨어진 해왕성까지도 태양의 인력에 붙잡혀 일정한 궤도 운동을 하고 있다.
그러나 지구에 더 강한 인력을 작용하고 있는 것은 태양이 아닌 달이다. 지구는 달과의 상호작용을 통해 생물이 살기 좋은 최적의 환경을 갖추게 되었으며, 인류의 역사와 문화도 달과 밀접하게 연관되어 있다.
달은 지구로부터 약 38만km(384,400km) 떨어져 있다. 지름은 지구의 약 4분의 1(3,476km), 질량은 지구의 약 80분의 1(7.3477 x 1022kg)이다. 달의 단면은 평균 70km 두께를 가지는 지각, 1,250km 깊이까지의 맨틀, 그리고 약 330km 반지름을 가지는 핵이 존재하며, 매우 작은 핵이지만 지구처럼 액체 상태의 외핵과 고체 상태의 내핵으로 분화되어 있음이 밝혀졌다.
달의 표면은 어둡고 낮은 부분과 밝고 높은 부분으로 나뉘는데, 어두운 부분을 바다라고 한다. 하지만 달의 바다에 물이 있는 것은 아니고, 주로 용암이 굳어 단단해 진 검은색 현무암으로 주로 이루어져 어둡게 보이는 것이다. 달의 밝은 부분은 가벼운 사장석 위주의 광물들로 이루어져 상대적으로 높이 솟아 있다.
달의 자전주기는 공전주기와 같아, 지구에서는 항상 달의 같은 면만을 보게 된다. 달의 공전궤도면은 지구의 공전궤도면에 대해 약 5.1도 기울어져 있다. 달의 평균 밀도는 3.34g/cm³으로 지구 전체의 밀도 5.52g/cm³ 보다는 작지만 지구 겉부분, 즉 지각과 맨틀 상부의 단단한 부분의 평균 밀도와 비슷하다.
달은 인간이 지구상에 태어난 이래 수많은 환상과 동경을 자아냈지만 달에 관해 처음으로 과학적 접근을 한 사람들은 그리스인이다. 기원전 3세기경 아리스타르쿠스(Aristarchus)는 월식 때 달에 비친 지구의 모습을 이용해 지구에서 달까지 거리를 지구 반지름의 약 60배로 추정했는데 실제 거리는 55배에서 63배이므로 매우 놀라운 주장이 아닐 수 없다.
이후 로마의 플루타르크(Plutarch)는 달에 사람이 살고 있다는 것에 의문을 표시하지 않았으며 어둡게 보이는 부분은 바다, 밝게 보이는 부분은 육지라고 말했다. 그러나 달에 관한 근대적 관측은 1610년 망원경을 하늘로 향했던 갈릴레오 갈릴레이에 의해 시작되었다. 갈릴레오는 달을 망원경으로 관찰한 후 어두운 부분은 실제로 평원이며 밝은 부분은 고저가 심한 산악지대라고 밝혔다. 놀라운 것은 데카르트(René Descartes)로 그는 달이 지구에 포획되어 만들어졌을지 모른다고 발표했다.
그러나 본격적인 달의 연구는 헬리혜성의 주기성을 발견한 핼리(Edmond Halley)로부터 시작한다. 헬리는 과거의 일식과 월식에 관한 자료를 분석한 후 시대가 지나면서 달의 궤도 운동 속도가 약 100년에 10초 정도 빨라진다는 것을 확인했다.
100년 후 프랑스의 천문학자 테라니는 조수간만을 수반하는 해수의 움직임이 만들어내는 마찰이 지구 자전 운동에 제동을 걸어 지구의 자전속도를 조금씩 느리게 한다고 발표했다. 그 결과로 달의 궤도운동 속도가 조금씩 빨라지고 이 결과로 달은 매해 수 센티미터씩 지구로부터 멀어지고 있다. 1969년 아폴로 12호가 달에 설치한 반사경은 매년 4센티미터씩 지구에서 멀어지고 있음을 확인했다.
옛날부터 인간은 달을 보면서 우주에 대한 상상을 키웠다. SF(Science Fiction)영화나 소설도 달은 매우 친근한 소재로 등장한다. 사실 달이 없었다면 인간의 정신 세계가 매우 무미건조했을 것이라는데 많은 사람들이 동조한다.
학자들이 가장 궁금하게 생각하는 것은 달이 어떻게 생성되었는가이다. 이를 ‘달기원설’로 설명하는데 아직까지 그 기원을 명확하게 설명해 주는 가설은 없다. 그만큼 달의 기원을 정확히 규명하는 것이 어렵다는 뜻인데 현재까지 제시된 달의 기원은 대충돌설, 분리설, 쌍둥이설(동시탄생설), 포획설 등이 있다.
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① 쌍둥이설(동시탄생설) : 가장 먼저 제기된 달기원설로, 지구와 같은 시기에 지구와 따로 만들어져 지구 주위를 도는 달이 됐다는 가설이다. 원시 지구에는 토성과 같이 기체와 작은 운석들로 이루어진 고리가 있었는데, 이것들이 하나의 큰 덩어리로 응집하여 달이 됐다는 것이다. 특히 달과 지구가 서로 독립적으로 태양계의 행성들이 형성될 시기에 만들어졌을 것이라는 주장이 있다. 이것은 달과 지구가 생성될 시기에 서로 간의 중력 작용으로 두 개의 천체가 탄생되었다는 것인데 이를 일컬어 ‘동시 탄생설’ 또는 ‘형제설’이라고 한다. 그러나 월석 샘플들에 철과 물, 소금, 칼륨, 유황 등 지구에 흔한 성분들이 거의 없다는 사실이 확인되어 타당성이 사라졌다.
② 포획설 : 쌍둥이설 다음으로 제기된 이론으로, 1909년 미국의 천문학자 토마스 시(Thomas See)가 주장했다. 지구 가까이 지나던 소행성이 지구의 인력에 붙잡힌 후 빠져나가지 못해 달이 됐다는 것이다. 하지만 이 설에 따르면 지구와 달의 화학적 성분이 달라야 하는데 달과 지구를 구성하는 특정 원소의 동이원소 비율이 같다는 사실이 밝혀지면서 설득력을 잃게 되었다. 반면에 각자 다른 방법으로 생성된 후 덩치가 더 큰 지구의 중력에 달이 붙잡혀서 달이 지구 주위를 돈다는 이론도 제기되었는데 이것을 ‘포획설’에 근거하여 ‘타인설’이라고 설명하기도 한다. 하지만 이 이론은 최근 발달된 레이저 실측 결과, 실제로 달은 지구로부터 1년에 약 4cm씩 멀어지고 있으므로 근거가 다소 미흡하다. 이를 역으로 생각한다면 약 46억 년 전 달과 지구 사이의 거리는 매우 가까웠을 것으로 생각한다.
③ 분리설 : 회전하는 지구의 빠른 회전으로 거대한 혹이 생겨나 떨어져 나오면서 달이 됐다는 이론으로 놀랍게도 1878년 진화론을 제창한 다윈의 아들인 조지 다윈이 제시했다. 이를 ‘도터 가설’이라고 부르는데 조지 다윈은 지구 생성 초기에는 지구가 아주 빠르게 자전을 했고 그 원심력 때문에 지구에 부푼 곳이 생겨, 그것이 떨어져 나가 달과 화성이 되었다고 주장했다. 당시에는 지구도 물렁물렁한 물질로 이루어져 있었기 때문에 회전력에 의해 부푼 곳이 떨어질 수 있다는 것이다. 1882년에는 지질학자 오스먼드 피셔가 달이 떨어져나간 후의 흔적이 태평양 해역이라고 발표했다. 복잡한 태평양의 해저 지형이 알려져 있지 않았기 때문에 제시된 가설이라 볼 수 있다. 이 이론을 ‘분열설’이라 하고 부모와 자식관계에 있다고 하여 ‘친자설’이라 부르기도 한다.
그런데 그때의 강력한 회전력(각운동량)은 지금 어디로 갔는가 하는 의문이 생긴다. 지금은 달-지구계가 예전보다 훨씬 느리게 회전하기 때문인데 이 가설은 20세기 초까지도 상당히 설득력있게 받아들여졌다. 그런데 실제로 달은 지구로부터 미약하나마 멀어지고 있는데 이 주장에 따라 시간을 거슬러 계산해보면 달이 과거에 지구에 붙어있었다는 것을 증명하지는 못한다. 또한 달에서 채취한 돌을 분석하면 지구 지각의 암석과 다르다는 점이 밝혀졌다. 지구에서 분리되었다면 성분이 유사해야 함은 물론이다.
④ 대충돌설 : 약 45〜46억 년 전, 현재 질량의 대부분을 형성한 초기 지구와 화성만 한 크기의 행성이 서로 충돌함에 따라 그 파편과 지구의 물질의 일부가 함께 지구 주변의 우주공간에 뿌려지고, 그 파편들이 모여 달을 형성하게 되었다는 내용이다. 이것은 테이아(Theia)라 불리는 지금의 화성과 비슷한 크기(지구 지름의 약 절반 정도)의 미행성이 지구에 충돌해 지구 핵에 흡수된 이후, 지구의 껍질이 튕겨져 나가면서 생겨났다는 설이다.
테이아(Theia)라는 행성이 가지고 있었을 철분이 달에는 없다는 점도 해명된다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과 테이아는 화성의 절반의 질량을 가지고 초속 20km, 충돌각도 약 45도로 지구에 충돌해 핵 속을 뚫고 들어갔고, 지구의 중력을 벗어난 물질이 튕겨져 나와 달을 형성했다는 것이다. 이 엄청난 충돌의 결과로 지구의 자전축이 기울어졌고, 미행성의 일부는 지구에 흡수되었으며, 지구의 일부와 미행성의 일부는 다시 우주 공간으로 튀어나갔을 것이라고 생각한다.
이 시나리오에 의하면 테이아의 철 성분을 가진 핵은 지구의 핵과 융합되어 지구 속으로 파뭍혔으며 소행성의 가벼운 지각은 지구의 지각 일부와 함께 우주 속으로 흩어진 다음 지구의 궤도를 도는 링 모양의 파편더미를 형성했다. 그리고 이것들이 다시 몽쳐 달이 형성했다는 것이다. 그 결과 테이아와 비슷한 동위원소를 가졌으면서도 달의 성분에 지구보다는 낮은 철 성분을 가진 동위원소를 갖도록 만들었다는 것이다. 시뮬레이션에 의하면 원시 행성이 지구와 충돌한 뒤 달로 다시 탄생하기까지는 100년도 걸리지 않았다고 한다.
완전무결하지는 않지만 이 가설은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 재현이 가능했을 뿐 아니라, 달 암석의 화학-광물 조성, 철 성분의 부족 및 공전 궤도의 상이함 등을 설명할 수 있기 때문에 현재 많은 학자들이 인정하고 있다.
학자들은 달은 지구의 위성이 아니라 ‘달’이라고 설명한다. 어떤 모행성(행성)과 위성이 되기 위한 가장 중요한 요건은 모행성과의 절대 거리다. 1848년 로쉬가 제시하여 ‘로쉬의 한계’라고 하는데 이는 하나의 물체가 접근하는 물체의 조석력에 의해 부서지지않고 어느 정도까지 접근할 수 있는가를 알려준다.
행성과 위성이 같은 밀도를 가지면 로쉬의 한계는 행성 반지름의 2,446배에 해당하는 거리다. 로쉬의 한계를 가장 극적으로 보여준 것은 1993년 7월 ‘슈메이커-레비9’로 명명된 혜성이 목성에 연속적으로 충돌했을 때이다. 거대한 혜성이 로쉬의 한계 내로 들어갔기 때문에 21개의 조각으로 쪼개져 목성과 충돌한 것이다.
이와 반대의 한계는 아시모프 박사가 제시한 것으로 TOW(Tug of War)라 부르는데 위성이 중력에 의해 모행성에 끌리지만 다른 한편으로는 태양에도 끌리므로 TOW는 바로 이 두 힘이 균형을 이루는 거리를 말한다. 위성이 이 안에 있으면 모행성의 위성이 될 수 있으나 이보다 멀어지면 태양의 영향권으로 들어간다. 아시모프에 의해 달이 달이 되기 위한 거리가 로쉬의 한계보다는 크지만 TOW보다는 작은 값을 가진다. 수성이 달을 가지고 있지 않은 이유를 '로쉬의 한계'와 TOW로 설명된다.
우리의 달과 지구 관계를 보면 로쉬의 한계는 15,600킬로미터, TOW는 46,400킬로미터다. 그런데 지구와 달까지의 평균거리는 무려 384,400킬로미터로 TOW의 8배나 된다. 즉 달(moon)은 지구의 위성(satellite)이 아니다.
달이 인간들에게 특별한 것은 지구에서 달은 항상 같은 면만 보인다는 점이다. 이는 특이하게도 달의 자전 주기와 공전 주기가 모두 29.5일이기 때문이다. 이런 현상은 물리학으로 설명된다. 달은 지금보다 더 강한 중력으로 지구에 이끌려 더 가까운 거리에서 지구의 둘레를 돌았다. 그러다 조수 간만의 작용으로 달이 지구의 자전 에너지를 흡수하면서 달의 자전 주기에도 차츰 변화가 생겼고 급기야 지구 주위를 도는 공전 주기와 같아진 것이다.
참고문헌 :
「달은 지구충돌한 소행성 파편뭉치」, 최영창, 문화일보
「달 생성 이론 뒤집혀..."별 충돌후 지구가...”」, 이재국, ZDNet Korea, 2012.10.19
『노벨상과 함께 하는 지구 환경의 이해』, 김경력, 자유아카데미, 2008
『대단한 하늘여행』, 윤경철, 푸른길, 2011
『우리는 어떻게 지구에서 살게 되었을까?』, 신 줌페이, 비룡소, 2012
『시사상식사전』, 시사상식편집부, 박문각, 2014