달 생성에 관한 새로운 이론 - 대충돌설의 타당성

* 그밖의 가설 및 대충돌설의 타당성 검토('I편'에서 이어짐)

 

 

2. 분리설(Fission Hypothesis)

 

달은 지구로부터 떨어져나갔다는 이론으로, '본태설' 다음으로 쉽게 생각할 수 있는 이론이다. 그런데 이 이론은 천문학자가 아닌 진화론자 찰스 다윈이 제창했으니 어쩌면 진화론자의 발상답다 할 수 있겠다. 그리고 이 이론에는 과거의 지구는 현재의 지구보다 뜨거웠고 자전이 빨랐다는 전제가 따른다. 즉 뜨거웠던 지구가 식어 수축함에 따라 자전이 빨라졌고, 이에 적도 부근이 부풀어올라 혹 같은 것이 생겨났는데 마침내 이 혹이 떨어져나가 달이 되었다는 것이다.

 

분리론자의 주장에 따르면 이때 지구에서 떨어져 나간 곳에 훗날 물이 고인 것이 태평양이다. 또 달의 비중이 3.35로 지구의 5.2보다 작은 것도 분리설의 증거가 됐다. 하지만 이 설은 1920년대 영국의 물리학자 헤럴드 제프리스에 의해 부정되었다. 고대 지구의 엿과 같은 찐득찐득한 반용융(semi-melting) 상태는 오히려 회전력을 저하시켜 분리에 필요한 만큼의 진동을 얻기 힘들다는 것을 실험으로 증명했던 것이다.

 

게다가 지난 20세기 말 아폴로 우주인이 가지고 온 월석은 지구와의 화학조성(化學組成)이 크게 달라 달이 지구로부터 분리되었다는 설은 급격히 힘을 잃고 말았다.

 

 

분리설 도해

 

떨어져나간 혹이 있던 자리가 태평양?

1874년 다윈의 발표 4년 뒤에 영국의 지질학자 오스먼드 피셔가 이를 지지하며 태평양 분지의 기원을 이렇게 설명했다. 

 

 

3. 포획설(Capture Hypothesis) 

 

포획설은 1990년 미국의 천문학자가 토마스 시가가 주장한 학설로, 오래 전 원시 태양이 생겨날 무렵에 만들어진 성운의 소행성 하나가 태양계를 떠돌다 지구 근방에 이르러 지구의 인력에 붙잡힌 후 빠져나가지 못하고 뱅뱅 돌게 되었다는 이론이다. 이 이론은 언뜻 그렇 듯하다. 문제의 소행성이 수성·금성·지구·화성 동네 부근에서 떠돌이 생활을 했을 경우 포획될 가능성이 있는 행성은 지구이며(그중 지구의 중력이 가장 크므로) 또 이 이론은 달과 지구의 화학조성이 다른 문제도 해결해 줄 수 있었다.

 

사실 그동안은 위의 분리설이 달의 성인 중 가장 유력한 학설이었으나 아폴로 우주인이 월석을 채취해온 이후로는 달을 지구의 형제나 아들로 보기가 민망했는데, 마침 포획설이 출현해 주었던 것이다. 하지만 그 반면 포획설은 지구와 달의 산소 동위원소 비율이 비슷함을 설명할 수 없었고, 지구 근처를 지나는 소행성이나 운석 같은 물체가 지구와 충돌하거나 지나치지 않고 포획돼 머무를 확률이 희박하다는 점이 약점으로 부각됐다. 게다가 달의 크기는 지구의 4분의 1에 해당할 만큼 컸던 바, 목성이나 토성이 가진 달과는 다른 버거움이 있었다.

 

나아가, 달과 지구가 태어난 동네가 비슷하거나 같다면 달의 비중이 지구의 비중보다 커야 하지만(질량이 작은 달에서는 기체분자가 더 많이 기화되므로) 지구의 비중이 훨씬 큰 것도 문제점으로 지적됐다. 달과 같은 거대 위성을 거느리면서도 목성이나 토성처럼 많은 달을 갖지 못하고 단 하나의 위성만 갖고 있다는 것도 약점이었다.

 

※ 언젠가 NASA에서 지구의 달이 하나가 아니라 2개라는 발표를 했던 것 같은데, 올 2월 25 미국 애리조나대학 카탈리나 천체 탐사팀에서도 지구의 공전 궤도에 걸린 작은 소행성을 발견했다는 발표를 했다. 지구의 주위를 돈 지는 한 3년쯤 된다는데, 이상이 사실이라면 현재 지구의 달은 1개가 아닌 셈이다.

 

 

포획설 도해

 

지구의 또 다른 달

지난 2016년 나사에서 발견했으나 어느 순간 소리소문 없이 사라졌다. 

 

애리조나 대학팀이 발견한 달의 상상도

둥근 모양이라야 달 같다 여기는 것은 편견이며 때로는 불규칙 궤도를 돌 수도 있다. 2~3개월 후 사라질 것 같다니 신경 쓸 필요는 없겠지만....

 

카시니 호가 촬영한 토성 E-ring과 F-ring 사이의 위성 프로메테우스

 

프로메테우스 확대 사진

토성의 위성은 82개이며(2019년 기준) 이중 23개가 규칙위성이고 프로메테우스와 같은 불규칙 위성이 59개이다. 크기는 136x79x59km.

 

토성의 대표적 불규칙 위성 포에베

불규칙 위성은 모행성의 인력으로써 위성이 된 경우로 모행성의 자전 방향과 반대로 돌기도 하고 타원형 궤도를 그리며 공전하기도 한다. 지름 220km로 달의 5분의 1 정도이다.   

 

목성의 위성 메티스

목성의 79개 위성(2018년 기준) 가운데 하나로 크기는 60×40×34km이다. 1979년 스티븐 시넛이 보이저 1호가 촬영한 사진 속에서 찾아냈다. 목성의 최대 위성은 가니메데로 수성보다도 크다.(☞ '단순 생명체를 찾아서, 유로파')

 

 

4. 대충돌설(Giant Impact Hyphosesis)

 

대충돌설은 문자 그대로 거대한 질량을 가진 천체 하나가 지구와 충돌함으로써 달이 생성되었다는 이론으로, 'An evolving legacy of Apllo'이라는 부제가 붙기도 한다. 억지로 붙이자면 '아폴로 유산으로부터의 진화론' 쯤이 되겠으니 아폴로 우주인이 채취해온 운석으로부터 도출된 학설임을 알 수 있다. 

 

그리고 이 학설이 과거의 달 생성론 중의 하나였던 '링 설'(Ring Hyphosesis, 토성의 링 같은 먼지 같은 부산물이 지구 주위를 떠돌다 뭉쳐져 달이 만들어졌다는 설)까지 아우른 것을 보면 그런대로 설득력이 있는 듯하다. 이 이론은 미국 캘리포니아 스크립스 해양연구소 제임스 박사 연구팀이 2012년 <네이처>에 논문을 게재함으로써 알려지게 되었다. 이 이론은 일단 거대 소행성의 비스듬한 충돌이 전제되어야 하는데, 그림을 보자면 아래와 같은 식이다.

 

연구팀은 아폴로 우주선 11,12,15,17 등이 지구로 가져온 월석을 분석한 결과 달이 탄생할 당시 엄청난 양의 물이 끓다 증발한 것으로 나타났다.

또 달 암석에서는 아연원소 중 비교적 무거운 동위원소가 지구에 비해 더 많은 것으로 나타났는데, 이는 충돌로 인해 발생한 암석성분의 파편에서 무거운 아연원자가 가벼운 원자보다 빠르게 농축됐고 나머지는 농축되기 전 증발했기 때문이라고 설명했다.

이와 달리 미국 캘리포니아주에 있는 외계지적생명체탐사(SETI)연구소와 하버드대 공동 연구팀은 지구의 자전주기를 역으로 분석해 달의 생성과정을 연구했다.

이들은 달 크기만한 행성이 충돌로 분리되려면 당시 지구의 자전 주기가 2~3시간 규모로 비교적 빨라야 하는데, 현재의 24시간이 된 것은 대충돌 이후 지구의 공전궤도와 달의 공전궤도 사이에 중력이 작용, 지구의 자전속도에 영향을 미쳤기 때문이라고 주장했다.

과학자들은 궤도가 근접함으로서 적당한 인력을 유지해 조수간만의 차를 만드는 등 만약 달의 이러한 활동이 없었다면 지구상에 생명체가 존재할 수 없었을 것이라고 설명했다.

또 45억 년 전 대충돌 이후 많은 이론들이 쏟아져 나오고 있으며, 언젠가 이 이론들을 합치면 달의 진정한 탄생 기원을 찾아낼 수 있을 것이라고 기대했다.

[출처: 서울신문에서 제공하는 기사입니다.] http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20121018601013#csidxba044dddc020b4c92cf343d85c2fb7c

 

 

 

대충돌설이 그 전에 존재하지 않은 것은 아니었다. 하지만 제임스데이 박사팀은 아폴로 우주인들이 가져온 달의 여러 지역의 운석을 분석한 결과, 달이 탄생할 당시 엄청난 양의 물이 끓다 증발했다는 결론을 얻어 이 열이 약 46억년 전, 초기 형태의 지구에  화성 크기의 행성이 충돌한 결과의 산물이라는 구체적인 가설을 만들게 되었다. 그 증거로써 예시한 것 중의 하나가 달과 지구의 동위원소 비율이 비슷하다는 점이었는데, 그러면서도 달에 아연과 같은 계열의 무거운 동위원소가 많이 포함돼 있는 것은 충돌시 가볍고 휘발성 강한 물질은 날아가고 무거운 물질만 농축되어 남았기 때문이라는 주장을 폈다.

 

이를 그림으로 다시 설명하자면 원시행성 'Theia'가 원시지구와 충돌했을 때 지각과 맨틀을 이루는 물질이 떨어져 나가 우주진(宇宙塵)을 형성했다가 이것이 결합되어 달이 되었다는 것이며, 월석이 구멍 숭숭 난 현무암이라는 것도 가설의 뒷받침이 됐다. 왜냐하면, 현무암은 운석물질이 일단 녹은 다음, 높은 압력하에서 성분이 분리될 때 처음으로 형성되어지는 암석이기 때문이다. 그리고 달은 차차 식어서 표면에 원시지각이 생기게 되었고, 이 덜 식은 표면에 운석처럼 떠돌던 파편들이 충돌하며 달 표면의 수많은 크레이터들이 생성됐다는 것이다.

 

 

 

아폴로 15호가 갖고 온 월석(제주도 돌 같은 현무암)

 

 

~ 대충돌설은 평소 내가 생각하던 상상과도 부합되는 측면이 있다. 즉 달 표면의 (깊지 않은 기현상을 보이는) 수많은 크레이터들은 지각이 높은 온도에서 끓다 식은 흔적일 수도 있다는 것이다. 앞서도 말했지만, 지구에서는 1200km 깊이의 분화구가 생겨나야 할 충돌의 흔적이 달에서는 고작 6.4km 정도밖에 나타나지 않는다는 것은 대단히 비상식적이다. 까닭에 지표의 크레이터는 충돌의 흔적이라기보다는(물론 충돌도 있었겠지만) 무언가 끓다 식은 흔적에 더 가까우니 비근한 예로 시멘트를 끓여 기포를 얻은 후 급냉시키면 이와 같은 모양을 얻을 수 있다.

 

 

크레이터가 강조된 달 사진

물체가 부딪힌 흔적이라기보다는 지표가 끓다가 식은 모양새다.

 

 

아울러 충돌론자들은 지구 자전이 지금의 24시간으로 고착된 것도 당시의 충돌의 결과라고 이야기한다. 즉 지구에서 달이 만들어질 만큼의 다량의 물질이 떨어져나가기 위해서는 지구의 자전 속도가 2~3시간 정도로 빨라야 했는데, 대충돌 이후에는 지구의 공전 궤도와 달의 공전궤도 사이의 중력 상호작용에 의한 제동력이 발생, 지금의 24시간으로 고착되어졌다는 것이다.(우리가 느끼지 못할 뿐 지구의 공전 속도는 초속 29.8km/sec로 여전히 빠르다. 참고로 총알의 속도는 600~900m/sec로 지구 공전속도에 비하면 새발의 피다)

 

즉, 달의 생성을 떠나 지구가 생명체 서식에 최적화된 행성이 된 것은 대충돌이라는 우연의 산물인 셈이다. 그럼에도 대충돌설의 지지론자 중에는 외계지적생명체탐사(SETI) 연구소와 하바드대학교의 과학자들이 포함돼 있다. 이것을 보면 달의 생성 이론 중에서는 대충돌설이 가장 타당성이 있는 듯한 것 같은데, 이 대충돌로 지구는 사계(四季) 등이 나타나는 살기 좋은 행성이 된 반면 달은 생명이 살 수 있는 천체로 진화하지 못하고 30∼40억 년 전 이미 죽음의 천체로서 방아 찧는 옥토끼만 살게 되었다.