달의 기원과 진화, 지구의 영원한 동반자

 

45억 년 전 화성 크기의 천체가 지구와 충돌하여 탄생한 달. 거대충돌 가설부터 달의 형성 과정, 바다와 크레이터의 생성, 달이 멀어지는 이유까지 우리의 위성 달이 어떻게 만들어지고 변화해왔는지 알아봅니다. 본문에서 달의 기원과 진화, 지구의 영원한 동반자에 대해서 살펴보겠습니다.

 

달의 기원과 진화

 

지구의 영원한 동반자, 달의 탄생

달은 지구에서 평균 38만 4400킬로미터 떨어져 있는 유일한 자연 위성으로 지름이 3474킬로미터이며 태양계에서 다섯 번째로 큰 위성인데, 행성 크기에 비해 위성이 큰 비율은 명왕성-카론 시스템 다음으로 높아서 달이 어떻게 형성되었는지는 오랫동안 수수께끼였습니다. 19세기부터 여러 가설이 제안되었는데, 첫째는 분열 가설로 조지 다윈이 1878년 제안한 이론으로 지구가 빠르게 자전하다가 일부가 떨어져 나가 달이 되었다는 것이지만 각운동량이 부족하고 태평양이 생긴 자리라는 주장도 맞지 않아 기각되었습니다. 둘째는 포획 가설로 달이 독립적으로 형성된 후 지구 중력에 포획되었다는 이론인데, 이렇게 큰 천체를 포획하려면 매우 특수한 조건이 필요하고 지구와 달의 화학 성분이 비슷한 점을 설명하지 못해 받아들여지지 않았습니다. 셋째는 쌍둥이 가설로 지구와 달이 같은 물질 구름에서 동시에 형성되었다는 이론인데, 달의 밀도가 지구보다 훨씬 낮고 철 핵이 작다는 점을 설명하지 못했습니다. 1970년대 아폴로 계획으로 달 암석을 지구로 가져와 분석한 결과 결정적인 단서가 발견되었는데, 달 암석의 산소 동위원소 비율이 지구와 거의 같았고 이는 달과 지구가 같은 근원 물질에서 형성되었음을 의미했습니다. 1984년 하와이 코나에서 열린 달 기원 학회에서 거대충돌 가설이 과학적 합의를 얻었는데, 이는 윌리엄 하트만과 도날드 데이비스가 1975년 처음 제안하고 알래스테어 캐머런과 윌리엄 워드가 1976년 컴퓨터 시뮬레이션으로 뒷받침한 이론입니다.

 

거대충돌과 달의 형성

거대충돌 가설에 따르면 약 45억 년 전 태양계 형성 초기에 테이아라는 화성 크기의 원시행성이 지구와 충돌했는데, 테이아는 지구 질량의 약 10%로 지름이 약 6400킬로미터였으며 시속 4만 킬로미터 이상의 속도로 비스듬히 충돌했습니다. 이 엄청난 충돌로 테이아의 맨틀과 지구 표면의 상당 부분이 증발하고 녹아서 파편들이 우주로 날아갔는데, 일부는 탈출 속도를 넘어 영원히 사라졌지만 상당량은 지구 주위 궤도에 남아 원반을 형성했습니다. 충돌의 에너지는 엄청나서 지구 표면 전체가 마그마 바다로 변했고 온도가 수천 도까지 올라갔으며, 테이아의 철 핵은 지구 핵과 합쳐졌고 맨틀 물질은 궤도로 분출되었습니다. 지구 주위에 형성된 파편 원반은 매우 뜨거웠는데, 암석이 증발하여 규산염 증기와 액체 방울들이 섞여 있었고 온도가 수천 켈빈에 달했으며, 이 과정에서 휘발성 물질들이 우주로 날아가 달에 물과 휘발성 원소가 부족하게 되었습니다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 파편 원반에서 달이 형성되는 데는 수개월에서 수십 년밖에 걸리지 않았는데, 원반 내에서 파편들이 충돌하며 뭉쳐 점점 큰 덩어리를 만들었고 수백 개의 달 크기 천체들이 형성된 후 다시 합쳐져 하나의 달이 되었습니다. 초기 달은 현재보다 10-20배 가까이 있었는데, 거리가 약 2만-4만 킬로미터로 하늘을 가득 채울 정도로 크게 보였으며 조석력이 매우 강해 하루가 5시간 정도였습니다. 거대충돌 가설은 여러 관측 사실을 잘 설명하는데, 달의 낮은 밀도는 맨틀 물질로만 형성되었기 때문이고, 철 핵이 작은 것은 테이아의 핵이 지구로 합쳐졌기 때문이며, 지구-달의 각운동량이 큰 것은 비스듬한 충돌 때문이고, 산소 동위원소가 같은 것은 같은 지역에서 형성된 물질이 섞였기 때문입니다.

 

달의 진화와 미래

형성 초기 달은 완전히 녹은 마그마 바다였는데, 깊이가 수백 킬로미터에 달했고 표면 온도가 1200도 이상이었으며, 가벼운 사장석이 떠올라 고지대 지각을 형성하고 무거운 감람석과 휘석은 가라앉아 맨틀을 만들었습니다. 약 1억 년에 걸쳐 마그마 바다가 식으면서 고체 지각이 형성되었는데, 현재 달의 밝은 고지대는 이때 형성된 사장석 지각으로 약 45억 년 전의 것이며 아폴로 계획에서 가져온 고지대 암석의 나이가 이를 확인했습니다. 달이 식은 후 약 41억-38억 년 전 후기 대폭격기가 있었는데, 이 시기에 목성과 토성의 궤도 변화로 소행성들이 내태양계로 쏟아져 들어왔고 달 표면에 거대한 충돌 분지들이 만들어졌습니다. 이 중 가장 큰 것이 남극-에이트켄 분지로 지름이 2500킬로미터에 깊이가 13킬로미터이며, 달 전체 표면의 약 15%를 차지하는 태양계 최대 충돌 구조 중 하나입니다. 충돌로 지각에 깊은 구멍이 뚫리자 맨틀에서 용암이 분출하기 시작했는데, 약 38억-30억 년 전 현무암질 용암이 충돌 분지를 채워 어두운 바다를 만들었고 이는 지구에서 달을 볼 때 어두운 무늬로 보이는 부분입니다. 고요의 바다, 풍요의 바다, 비의 바다 등 이름이 붙은 이 지역들은 실제 물이 있는 바다가 아니라 현무암 용암 평원인데, 아폴로 우주비행사들이 가져온 바다 암석은 30억-36억 년 전의 것으로 분석되었습니다. 화산 활동은 약 10억 년 전까지 계속되었지만 점차 약해졌는데, 달이 작아서 내부 열이 빨리 식었고 현재는 지질학적으로 죽은 천체로 화산이나 판 구조 운동이 없습니다. 달은 조석 고정되어 항상 같은 면을 지구로 향하는데, 초기에는 자전했지만 지구의 조석력으로 자전이 느려져 약 1억 년 만에 고정되었으며, 이 때문에 달의 뒷면은 1959년 소련 루나 3호가 촬영하기 전까지 인류가 본 적이 없었습니다. 달은 매년 약 3.8센티미터씩 지구에서 멀어지고 있는데, 이는 조석 마찰로 지구의 자전 에너지가 달의 궤도 에너지로 전환되기 때문이며, 아폴로 계획에서 설치한 레이저 반사경으로 정밀하게 측정됩니다. 45억 년 전 달은 지구에서 2만 킬로미터였지만 현재는 38만 킬로미터이고, 먼 미래에는 지구와 달이 모두 조석 고정되어 달이 하늘의 한 지점에 정지하고 더 이상 멀어지지 않을 것인데 이는 약 500억 년 후이지만 그 전에 태양이 적색거성이 되어 지구를 삼킬 것입니다.