[열린세상] 달의 두 얼굴은 난쟁이 행성이 충돌한 결과/조현욱 과학과 소통 대표

입력 : ㅣ 수정 : 2019-05-23 18:03

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조현욱 과학과 소통 대표
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▲ 조현욱 과학과 소통 대표

달은 수수께끼 행성이다. 무엇보다 위성 주제에 지나치게 크다. 지름이 지구의 27%이다. 태양계의 위성 185개 중 1위다. 2위 트리톤은 해왕성의 5.5%에 불과하다. 애초에 어떻게 탄생했을까. 학계에서 널리 받아들여지는 것은 대충돌 이론이다. 지구가 생겨난 지 1억년 뒤인 약 44억년 전 화성 크기의 원시행성 ‘테이아’가 지구와 충돌했다는 것이다. 이때 녹아 버린 충돌체와 지구의 일부가 우주 공간으로 쏟아져 나간다. 대부분은 다시 지구로 떨어져 내리지만 달 질량의 두 배가 넘는 파편이 지구 궤도에 남았다. 그 일부가 뭉쳐져 아기 달이 된다는 시나리오다.

달이 지닌 또 하나의 미스터리는 앞면과 뒷면의 지형이 전혀 다르다는 점이다. 언제나 지구를 향한 앞면에는 ‘바다’로 불리는 거대한 평원이 존재한다. 뒷면은 움푹 파인 크레이터로 덮여 있다. 1960년대 우주선이 달의 뒷면을 처음 촬영하면서 확인됐다.

이 문제를 설명하려는 이론이 2011년 발표된 ‘두 개의 달’ 가설이다. 대충돌 후 지구 궤도에 떠 있던 파편에서 또 하나의 작은 달이 형성됐다는 것이다. 작은 달은 몇천만 년 후 초속 2.4㎞로 큰 달의 뒷면에 충돌했다. 그 충격으로 지하의 마그마가 달 앞면으로 분출돼 크레이터를 메우는 바람에 평탄한 바다 지형이 생겼고, 뒷면에는 산악지대가 형성됐다는 것이다. 이것은 유력한 이론이지만 전부를 설명하지는 못한다. 2012년 미국 그레일 탐사선이 보내온 상세한 자료를 보자. 이에 따르면 뒷면은 마그네슘과 철이 풍부한 추가 지각을 지니고 있으며 앞면보다 지형이 10㎞ 이상 높다. 지각의 두께, 화학적 조성이 크게 다르다는 말이다.

이를 설명하는 추가 이론이 지난 20일 미국지구물리학협회(AGU)가 발행하는 ‘지구물리학연구저널: 행성’에 실렸다. 중국 마카오공대 연구팀의 논문을 보자. 이에 따르면 두 개의 달이 합쳐지고 지각이 단단해진 뒤에 달에 거대한 물체가 부딪쳤다. 연구팀은 360건의 컴퓨터 시뮬레이션을 가동했다. 오늘날과 같은 결과를 낳으려면 태양계가 형성된 초기에 어떤 규모의 충돌이 있어야 하는가.

그 결과 지름 780㎞의 천체가 초속 6.3㎞의 속도로 달의 측면에 충돌하는 시나리오가 가장 유력한 것으로 나타났다. 크기는 왜(난쟁이)행성 세레스보다 조금 작고 속도는 지구로 떨어지는 별똥별의 4분의1 정도에 해당한다. 지름 720㎞에 초속 6.8㎞의 충돌 역시 비슷한 결과를 내는 것으로 나왔다.

이들 시나리오에 따르면 막대한 양의 충돌 물질이 튀어 올랐다가 떨어져 내렸다. 그 결과 원시 달의 뒤편 지각은 5~10㎞ 두께의 파편으로 덮였다. 이것이 그레일 탐사선이 탐지한 추가 지각이 됐다는 것이다. 연구팀에 따르면 이 충돌체는 지구 궤도를 돌던 초기의 두 번째 달이 아니라 태양 궤도를 돌던 왜행성이어야 한다.

새로운 충돌 이론은 지구와 달 표면의 동위원소 일부가 서로 다른 이유를 잘 설명해 준다. 칼륨, 인, 텅스텐182 등의 동위원소는 달이 이미 형성된 이후에 충돌을 통해 새로 유입됐다는 것이다. 이 이론은 달뿐 아니라 화성과 같이 비대칭적 구조를 지닌 다른 행성에 대해서도 통찰력을 제공해 준다고 전문가들은 말한다.

그리고 지구에 이례적으로 물이 풍부한 것도 앞서 테이아 충돌 덕분이라고 한다. 지난 20일 독일 뮌스터대학 연구팀이 ‘네이처 천문학’ 저널에 발표한 내용을 보자. 기존 연구에 따르면 지구의 물은 수분이 풍부한 탄소질 운석 덕분일 가능성이 크다. 이런 운석은 화성 바깥의 외행성계에서 날아온다. 연구팀은 지각 아래 맨틀층의 몰리브덴 동위원소 구성비를 조사했다. 이 원소는 탄소질 운석을 확인해 주는 ‘유전적 지문’ 역할을 한다. 그 결과 맨틀의 구성비가 철질 운석과 비철질 운석의 중간에 해당하는 것으로 나타났다. 그런데 몰리브덴은 철과 잘 결합하는 성질이 있기 때문에 철로 구성된 지구의 핵에 몰려 있어야 한다. 결국 맨틀에 있는 몰리브덴은 지구가 형성된 다음 철질 운석을 통해 유입된 것이다. 이것은 테이아에서 대량으로 전해진 것이라고 연구팀은 결론지었다. 지금까지 이 원시행성은 건조한 내행성계(암석 행성) 출신으로 생각됐으나 실은 물이 풍부한 외행성계 소속이라고 한다.
2019-05-24 30면
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