달은 어떻게 태어났을까? - 거대 충돌 가설과 새로운 시뮬레이션 이야기

 

 

 

달은 어떻게 태어났을까? - 거대 충돌 가설과 새로운 시뮬레이션 이야기

 

유튜브 페이지 : https://www.youtube.com/watch?v=iP2BKbLZVbI

화학이야기 : karisany@kaorea.ac.kr

 

 

 

 

이번 글에서는 우리에게 가장 친숙한 이 달의 탄생 이야기를 중심으로 여행을 떠나보겠습니다.

밤하늘을 바라보면 가장 눈에 띄는 천체, 바로 달이죠. 달은 인류가 가장 오랫동안 관찰해 온 지구의 유일한 위성이자, 태양계의 위성들 중 다섯 번 째로 큰 위성입니다.흥미로운 점은 지구가 태양계에서 다섯 번째로 작은 행성임에도, 그 위성인 달은 태양계에서 다섯 번째로 큰 위성이라는 점입니다. 지구와 달의 관계는 태양계 안에서도 매우 독특합니다.

😮 달의 탄생: 거대 충돌 가설

가장 먼저 달이 어떻게 탄생했는지 알아보겠습니다. 달의 탄생에 관한 가설들 중 가장 널리 받아들여지는 것은 거대 충돌 가설입니다. 과학자들에게 가장 많은 지지를 받고 있는, 이 가설은 태양계가 형성된 지 약 1억 년쯤 지난 45억년 전, 생성된 지 얼마 안된 원시 지구에, 지구지름의 반정도인 화성 크기의 천체, 흔히 테이아라고 불리는 천체가 지구와 충돌하면서 달이 형성되었다는 가설입니다

지구와 테이아의 충돌 예시

 

거대한 두 천체의 충돌로 인해 어마어마한 에너지가 방출되었고, 지구와 테이아의 물질 일부가 우주로 튕겨 나갔습니다. 이렇게 방출된 두 행성의 파편들은 강한 지구의 중력에 잡혀 원반 형태의 띠를 이루며 지구 주변을 돌기 시작했습니다. 시간이 지나면서 이 파편들이 중력에 의해 서로 뭉쳐져, 오늘날 우리가 아는 달이 탄생한 것으로 추정하고 있었습니다.

이렇게 방출된 두 행성의 파편들은 강한 지구의 중력에 잡혀 원반 형태의 띠를 이루며 지구 주변을 돌기 시작했습니다. 시간이 지나면서 이 파편들이 중력에 의해 서로 뭉쳐져, 오늘날 우리가 아는 달이 탄생한 것으로 추정하고 있었습니다. 하지만 달에서 가져온 월석을 분석해보니, 월석은 지구의 맨틀과 거의 비슷한 성분을 가지고 있었고, 이것은 거대 충돌 가설에 오류가 있다는 것을 의미했습니다.

 

지구 주위를 돌고 있는 파편틀

거의 비슷한 성분을 가지고 있는 월석과 맨틀

 

거대 충돌 가설에 오류가 있다는 근거는 다음과 같습니다. 만약 정말로 지구와 테이아가 충돌해 달이 형성되었다면, 월석의 성분은 지구의 성분 뿐만 아니라, 테이아의 성분도 일부 포함되어야 합니다. 하지만 달에서 가져온 월석의 성분은 지구 맨틀의 성분과 거의 유사했기 때문에 이 가설에 대한 의문이 제기되었습니다.

 

😮 최신 이론 : 액체 천체 충돌설

 

이 의문을 해결하기 위해 2022년 NASA와 영국 더럼대학교 연구진은 거대 충돌 가설을 보완한 새로운 시뮬레이션 결과를 발표했습니다.

 

연구진은 원시 지구와 테이아가 액체 상태의 천체였다고 가정했습니다. 액체 상태의 두 천체가 충돌한 후 흩어진 액체 파편들 중 대부분은 지구의 중력에 끌려와 지구를 구성하는 성분이 되었고, 지구의 중력에 끌려오지 않고 지구 주변을 이동하는 파편들이 뭉쳐 달이 되었다는 가설입니다.

액체상태로 충동한 두 천채중 큰 부분은 지구, 작은 부분은 달이 되었다.(출처 : NASA)

 

이 충돌 과정에서 두 천체의 성분이 완전히 섞였기 때문에, 달과 지구가 매우 유사한 성분을 가지게 된 것입니다. 이 새로운 해석은 달이 단순히 지구의 위성이 아니라, 지구와 성분을 공유한 형제와 같은 존재임을 의미합니다. 또한, 이 충돌은 지구의 자전축에 기울기를 만들어, 우리가 아는 계절 변화의 기원이 되었다고도 볼 수 있습니다.

 

😮과거의 가설들

거대 충돌 가설이 대세 학설로 자리잡기 전에는 다양한 가설이 존재했습니다. 어떤 가설들이 있었는지도 살펴보겠습니다.

가장 대표적으로 지구와 달이 동시에 형성되었다는 동시 형성설이 있지만, 지구와 달의 화학 성분이 다른 이유를 설명하지 못하는 단점이 있었습니다. 다른 가설로는 달이 원래 다른 천체였다가 지구의 중력에 의해 붙잡혔다는 포획설이 제안된 바 있습니다. 하지만 이 가설은 달의 궤도와 운동의 특성을 설명하지 못했습니다

 

또다른 가설로는 지구와 운석이 충돌한 후 떨어져나간 물질들이 달이 되었고, 운석이 떨여진 지점이 태평양부근이며, 그 이유로 태평양과 달의 질량이 거의 비슷하다는 가설이 있었습니다.

지구와 운석을 충돌로 달이 만들어젔다는 가설

 

하지만 지구 질량의 1/8인 달의 질량은 7.35×1022 kg이고, 태평양의 질량은 육점육곱하기 십에 이십 제곱 킬로그램입니다.

계산된 값을 비교하면 달의 질량이 태평양보다 100배 이상 크다는 것을 알 수 있습니다. 즉 달의 질량이 태평양의 질량과 같다는 표현은 과학적인 사실이 아닙니다. 달은 태평양보다 훨씬 더 무겁습니다. 이 비유는 달의 크기나 질량을 좀 더 친근하게 설명하려는 의도에서 비롯된 것으로 보입니다. 때문에 오늘날에는 거대 충돌 가설이 가장 설득력 있는 설명으로 인정받고 있습니다

달의 질량은 태평양의 질량보다 100배 이상 크다

 

😮달과 지구의 현재 관계: 조석력과 거리 변화

달은 지구로부터 점점 멀어지고 있다는 사실, 알고 계셨나요?현재 달은 매년 약 3.8cm씩 지구에서 멀어지고 있습니다. 이는 지구와 달 간의 조석력 때문입니다. 달의 중력과 지구의 물이 상호작용해 일어나는 밀물 썰물 현상인 조석현상은 지구의 자전 속도를 5만년에 1초씩 길어지게 만듭니다.

 

달의 인력에 의해 발생하는 조석력은 지구의 자전과 함께 이동을 하게 됩니다. 자동차에 타고 있는 사람이 자동차가 움직이면 사람도 같이 움직이는 것을 생각하면 됩니다. 달의 공전은 지구의 자전보다 약 27.3배 늦어, 지구의 자전을 따라 이동하는 물들을, 다시 달 쪽으로 끌어당기는 힘이 발생하는데, 이 힘이 지구의 자전과 달의 공전을 늦추는 현상을 발생시킵니다.

 

회전운동을 하고 있는 지구와 달에 외부의 힘이 가해지지 않으면 항상 같은 각운동량, 즉 회전하는 힘은 변하지 않아야 합니다. 이를 각운동량 보존법칙이라고 하는데, 식으로 표현하면 달의 질량x속도x거리=일정하다는 것을 의미합니다.

조석현상에 의해 지구의 자전과 달의 공전속도가 느려지는데, 때문에 각운동량 보존법칙을 만족시키기 위해서는 질량과 거리가 증가해야 합니다. 하지만 달의 질량은 변하지 않으므로, 거리가 증가해야 하고 거리의 변화량을 계산하면 1년에 3.8센치미터씩 증가한다는 결과를 얻을 수 있습니다.

 

이러한 현상은 지구의 자전속도와 달의 공전속도가 같아질 때까지 천천히 진행되지만, 그 기간에 너무 길어 45억년 후에도 같아 지지 않을 것으로 예측되고 있습니다. 하지만 장기적으로는 지구와 달의 관계에도 영향을 미칠 수 있습니다.

우선 하루의 길이가 길어질 수 있습니다. 미래에는, 달은 멀어지고 지구의 자전 속도가 느려질 것이기 때문에, 수십억 년 후에는 25시간 이상 될 수도 있습니다

 

달의 인력은 지구의 조력현상도 발생시킵니다. 하지만 달이 멀어지면 지구의 물들이 느끼는 달의 중력이 점점 작아져 수십억 년 후에는 조수 간만의 차이가 거의 없어질 수도 있습니다.

 

달이 멀어지면 지구 기후 변화 패턴이 변할 수 있는데, 현재 지구 기후는 태양과 달의 인력, 지구 자체의 자전 등 여러 요인에 의해 영향을 받기 때문입니다.

 

이외에도 달이 멀어지면 달빛이 약해져 달빛을 이용하는 생물들에게도 영향을 미칠 수 있습니다.

 

달의 탄생 이야기는 단순한 천문학적 사건을 넘어, 지구와 달의 특별한 관계를 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 이를 통해 우리는 우주의 거대한 스케일과 그 안에서 지구와 달이 차지하는 독특한 위치를 새롭게 바라볼 수 있습니다.

 

 

오늘은 달의 탄생과 달이 점점 멀어지는 이유에 대해 알아봤습니다.다음 시간에는 달의 위상이 한 달 주기로 변하는 이유와 원리에 대해 알아보는 시간을 가져보겠습니다. 기대 많이 해주세요! 😊

끝까지 시청해 주셔서 감사합니다. 다음에 또 만나요! 👋