[사이언스] 달은 고작 3시간 만에 탄생했다!

[비즈한국] 요즘 유난히 보름달이 이쁘다. 오랜만에 맑게 갠 까만 하늘 위로 하얗고 둥근 보름달을 보다 보면 저 커다란 달이 대체 어떻게 탄생한 것일까 하는 질문이 들곤 한다. 아주 오래전부터 지구 옆에 있는 게 당연하게 보이는 달의 존재는 사실 지금까지도 천문학자들을 괴롭히는 가장 중요한 질문 중 하나다.

특히 지구의 달은 태양계 다른 행성 곁을 도는 위성들과 많이 다르다. 모행성 지구에 비해 상대적으로 그리 작지 않다. 목성처럼 훨씬 큰 거대 행성 곁에 소행성만 한 작은 위성들이 붙잡혀 돌고 있는 걸 생각해보면, 겨우 지구 같은 행성 옆에 지름이 4분의 1이나 되는 큰 돌멩이가 붙잡혀 돌고 있다는 건 참 어색하게 느껴진다. 또 아주 큰 각운동량으로 지구 주변을 맴돌고 있다. 이처럼 우리 달은 참 신비한 매력을 갖고 있다. 그래서 지구의 달이 자연적으로 생긴 천체가 아니라 고대 외계인이 만든 인공물이라는 요상한 음모론에 심취하는 사람들의 심리가 아주 일부는 이해가 된다.

달의 탄생을 설명하는 이론은 수 세기 동안 계속 발전했다. 그리고 오늘날에는 45억 년 전 거대한 고대 행성체 하나가 지구에 부딪히면서 지금의 달이 탄생했다는 대충돌 가설이 가장 유력하게 거론된다. 하지만 그 대충돌 과정이 정확히 어떤 순서로 벌어졌는지, 얼마나 큰 천체가 어떤 속도와 각도로 지구에 날아왔는지, 그리고 그 대충돌 과정 전체가 얼마 동안 진행되었는지 등 세세한 내용은 아직 정확히 밝혀지지 않았다.

그렇다면 오래전 지구에 벌어진 대충돌 이후 달이 탄생하기까지 얼마나 긴 시간이 걸렸을까? 10만 년? 100만 년? 1억 년? 얼핏 생각하면 저런 커다란 천체가 만들어지기까진 적어도 수만 년 단위 이상의 오랜 시간이 필요했을 것 같다. 그런데 놀랍게도 달은 겨우 3시간 컷이었을지 모른다. 최근 역대 가장 세밀한 초고해상도 시뮬레이션을 통해 실제 지구와 달의 모습을 역사상 가장 완벽하게 재현한 연구 결과가 발표되었다. 더욱 흥미로운 것은 이번 연구 결과에 따르면, 대충돌 이후 달이 만들어지기까지 겨우 3시간 반밖에 안 걸렸다는 점이다. 달 같은 거대한 천체가 빚어지기 위해선 수억 년에서 최소 수십만 년은 걸렸을 것 같은데, 저 거대한 달이 겨우 3시간 컷이었다니!

최근 발표된 초고해상도 달 탄생 시뮬레이션의 결과를 소개한다.

옛 사람들은 달의 탄생을 설명하기 위해 다양한 시나리오를 제시했다. 갓 태어난 지구가 아직 말랑말랑한 마그마 반죽 덩어리였을 때 빠르게 자전하던 중 큰 조각 덩어리 하나가 밖으로 떨어져나갔고 그것이 굳어 달이 되었다는 설도 있었다. 게다가 그때 지구에서 달이 떨어져 나가면서 지구에 둥글게 파인 상처가 생겼고 그곳에 물이 채워져 태평양이 되었다고 주장한 사람도 있었다. 물론 이후 지구 대륙이 이동하며 지구의 대륙과 바다가 줄곧 지금과 같은 모습이 아니었다는 걸 알게 되면서 이 가설은 폐기되었다. 덩치 큰 목성이 주변을 지나가던 소행성을 붙잡아 곁에 머무르게 하는 것처럼, 지구도 우연히 곁을 지나가던 달을 붙잡아 지금처럼 궤도를 돌게 했다는 설도 있었다. 하지만 이 역시 달이 너무 크고 육중해서 단순히 지구에 포획되었다고 보기는 어려웠다. 또 지금처럼 큰 각운동량을 갖고 있는 달의 모습도 재현하기 어려웠다.

1969년 처음으로 우주인이 달에 발자국을 남긴 아폴로 11호 미션 이후 70년대 내내 수차례에 걸쳐 진행된 아폴로 달 착륙 미션을 통해 달 탄생에 대한 본격적인 연구가 진행됐다. 드디어 사람이 직접 달에 가서 달 표면의 암석을 지구로 들고 올 수 있었기 때문이다. 총 여섯 번에 걸친 아폴로 미션을 통해 380kg의 월석과 달 토양 샘플을 얻었다.

아폴로 17호 미션을 통해 갖고 온 달의 암석 샘플 중 하나. 사진=NASA

이를 분석한 결과, 천문학자들은 달 암석 대부분이 대략 45억 년 전에 굳어 만들어졌다는 걸 확인했다. 이는 태양계가 탄생하고 나서 1억 5000만 년 정도가 지나서, 지금으로부터 아주 오래전에 달이 탄생했다는 걸 의미했다. 게다가 달 암석을 지구의 암석과 비교해보니, 화학 조성이나 동위원소 함량이 지구 땅 속에 있는 아주 오래된 암석과 굉장히 유사했다. 이것은 달이 지구와 별개로 탄생해 나중에 포획된 천체가 아니라, 아주 오래전 지구와 달의 성분이 함께 뒤섞이는 대사건이 있었다는 걸 암시한다.

아폴로 월석을 분석한 천문학자들은 45억 년 전 지구를 향해 지구의 절반 정도, 지금의 화성 정도 크기인 고대 행성체 하나가 충돌해 그 결과 달이 탄생했다는 가설을 만들었다. 지금으로부터 46억 5000만 년 전 태양계가 갓 완성되었을 때, 태양으로부터 지구와 같은 거리를 두고 떨어진 채 지구-태양의 라그랑주 포인트에 해당하는 지점에 고대 행성이 하나 더 있었다. 천문학자들은 이 고대 행성을 신화 속 달 여신의 어머니 ‘테이아’라는 이름으로 부른다.

이후 1억 5000만 년 정도가 흐르면서 라그랑주 포인트를 벗어나 궤도가 불안정해진 테이아는 결국 지구와 부딪혔고, 테이아의 성분과 지구 성분 일부가 사방으로 흩어져 날아갔다. 이로써 달과 지구의 성분이 유사한 이유를 설명할 수 있다. 게다가 대충돌은 현재 달이 갖고 있는 유난히 큰 각운동량도 설명한다.

현재까지 지구와 달의 형성 과정을 가장 잘 설명하는 건 대충돌 가설이다. 오래전 지구에 충돌한 고대 행성을 테이아라고 부른다. 이미지=NASA

현재 대부분의 천문학자들은 달의 기원을 설명하는 대충돌 가설에 동의한다. 하지만 세부 내용에 대해선 이견이 갈린다. 전통적으로는 단 한 번의 큰 대충돌만으로 달의 기원을 설명해왔지만, 최근에는 한 번의 큰 충돌이 아닌 두세 번의 연이은 작은 충돌로 달의 탄생을 재현하기도 했다. 충돌 이후 퍼져나간 지구와 테이아의 파편들이 곧바로 다시 반죽되어 달이 되었다는 가설도 있고, 그 파편들이 수억 년의 긴 시간 동안 지구 곁을 맴도는 고리로 존재했다가 서서히 반죽되어 달이 되었다는 가설도 있다. 충돌 직후에도 수많은 작은 파편들만 존재하다가 그것이 모여 달이 되었다고 이야기하는 가설과 단 하나, 또는 두세 개의 작은 달이 공존하다가 그 중 일부가 서로 충돌하거나 아예 바깥 궤도로 튕겨 날아가고 덩어리 하나만 남았다는 식의 가설도 존재한다.

아쉽게도 실제 지구와 달이 어떻게 태어났는지, 대충돌 당시의 과정을 시간을 되돌려 확인하는 건 불가능하다. 대부분의 증거들은 이미 지구와 달 깊은 내부로 가라앉아 숨어버렸기 때문이다. 그래서 천문학자들은 오래전 지구와 테이아가 부딪혔던 순간을 다양한 시뮬레이션을 재현해 그 결과를 실제 지구와 달의 모습과 비교하는 방식으로 답을 찾아간다.

20~30년 전 초기 시뮬레이션은 지금에 비해선 많이 부족했다. 파티클(입자) 개수도 적어서 시뮬레이션 해상도가 좋지 못했다. 또 단순히 두 파티클이 서로 잡아당기기만 하는 중력에 비해, 훨씬 복잡하게 작용하는 유체역학적인 요소까지 고려하는 건 불가능했다. 하지만 점차 컴퓨팅 파워가 좋아지면서 이제 천문학자들은 슈퍼컴퓨터를 동원해 초고해상도의 시뮬레이션을 돌릴 수 있다.

마인크래프트에서 커다란 기본 블록으로 건물을 만들면 각지고 투박한 느낌이지만, 훨씬 작은 ‘치즐’ 모드로 초미니 블록 여러 개로 건물을 만들면 훨씬 실감이 난다. 다만 초미니 블록으로 만들면 그만큼 블록 개수도 훨씬 많이 필요하고 노동량도 증가한다. 우주의 진화 과정을 구현하는 시뮬레이션도 마찬가지다. 전체 파티클 개수가 더 많아지고 해상도가 높아질수록 실제 우주에 더 가깝게 재현할 수 있다. 그리고 늘어난 파티클 개수만큼 기하급수적으로 늘어난 계산량을 버틸 수 있는 슈퍼컴퓨터가 필요하다.

이번 연구에서 천문학자들은 시뮬레이션 속 전체 파티클 개수를 10만 개에서 1억 개까지 늘려가면서, 시뮬레이션 해상도에 따라 달의 형성 과정 속 디테일이 어떻게 달라지는지를 비교했다. 그리고 최신의 초고해상도 시뮬레이션 결과에서 기존 연구와 같이 (비교적) 저해상도로 돌렸을 때는 볼 수 없었던 흥미로운 차이를 발견했다.

이번 연구 속 시뮬레이션에서 시간이 흐르면서 지구와 달이 어떻게 변화하는지를 보여주는 그림.

기존처럼 저해상도, 적은 파티클 개수로 시뮬레이션을 돌리면 대충돌 이후 수많은 작은 조각들과 덩치 큰 덩어리 하나가 만들어진다. 하지만 곧바로 덩치 큰 덩어리는 다시 지구의 중력에 이끌려 지구에 또 한 번 부딪힌다. 결국 한참 동안 지구 주변엔 이렇다 할 큰 조각 없이 첫 번째 대충돌 이후 퍼져나간 작은 파편 파티클만 떠돈다. 이후 수십만 년에 걸쳐 서서히 파티클이 긴 띠나 고리 모양으로 안정되다가 반죽되면서 지금의 달이 된다.

그런데 이번 초고해상도 결과를 보면 확연한 차이가 있다. 충돌 이후 지구 옆에 총 두 개의 크고 작은 덩어리가 떨어져나간다는 것이다. 전체 시뮬레이션을 자세하게 살펴보자. 충돌 직전 테이아가 지구에 다가가면서 지구 중력에 의한 조석력으로 인해 테이아가 럭비공 모양으로 길게 찌그러진다. 그 직후 지구와 테이아가 부딪히고 작은 파편들이 떨어져나간다. 그런데 이 때 저해상도 시뮬레이션 때와 달리, 큰 덩어리 하나, 작은 덩어리 하나, 총 두 개의 덩어리가 떨어져나간다.

그런데 둘 중 비교적 지구 가까운 곳에 놓인 큰 덩어리는 지구 중력에 포획되어 다시 붙잡히고 곧바로 다시 지구 중력에 포획되어 지구와 충돌한다. 반면 큰 덩어리가 지구 쪽으로 끌려가면서 (그 반사 이익으로) 바깥에 있던 작은 덩어리는 지구에서 좀 더 멀리 날아가고 지구에 다시 부딪히지 않는다. 그리고 이후 시간이 흐르며 이 살아남은 조각이 서서히 굳으며 주변의 작은 파편을 서서히 모아 지금의 달이 된다. 게다가 대충돌 직후, 미래의 달이 될 작은 덩어리가 떨어져나오기까지 걸린 총 시간은 겨우 3.6시간뿐이다. 시뮬레이션에서 시간을 실제보다 빨리감기해서 그런 것이 아니다! 실제 시간으로 환산했을 때 겨우 3.6시간이라는 얘기다.

대충돌 이후 5시간이 지나면 아주 크게 찌그러진 타원 궤도를 그리던 원시 달은 지금의 달 궤도처럼 거의 둥근 궤도로 안정화된다. 7시간이 지나면 작은 파편들 대부분은 달이나 지구에 다시 붙잡혀 어느 정도 정리가 끝난다. 9시간이 지나면 아직 지구에서는 한창 대충돌의 여파가 이어지고 있지만 원시 달 자체는 완전히 안정화된다. 30시간이 지나면 이제 원시 지구와 달은 완벽하게 안정화되고 둘의 격렬했던 탄생 과정은 끝난다. 약간 과장해서 말한다면, 이번 연구에 따르면 우리 지구의 달은 겨우 ‘3시간 컷’으로 탄생한 셈이다.

충돌 직후 떨어져나간 두 파편 중 작은 조각이 그대로 살아남아 지금의 달로 성장한 것으로 추정된다.

특히 이번 결과에 따르면, 시뮬레이션의 해상도가 높아지고 파티클 개수가 더 많아질수록 달의 질량과 궤도, 화학 조성도 더 실제에 가깝게 재현할 수 있다. 예를 들어 시뮬레이션 파티클 개수를 늘려가면서 대충돌 직후 만들어진 원시 달 덩어리의 질량이 어떻게 변했는지를 보자. 해상도가 낮을 때는 원시 달 질량이 지구 질량의 6% 정도까지 지나치게 무겁게 만들어진다. 이는 시뮬레이션 파티클 개수가 적고 해상도가 낮아 투박한 탓에, 각 파티클의 질량 자체가 너무 무겁게 설정되어서 벌어지는 문제다.

하지만 파티클 개수가 1억 개까지 늘어나고 해상도가 훨씬 높아지면 시뮬레이션 결과 만들어진 원시 달의 질량은 지구 질량의 1% 수준까지 줄어든다. 실제로 달의 질량은 지구 질량에 비해 80분의 1 정도밖에 안 된다. 대충돌 이후 탄생한 원시 달에 작은 파편이 서서히 모여 지금의 달이 되면서 조금 더 무거워진 것을 감안하면 초고해상도 시뮬레이션의 결과가 실제 달과 지구의 질량비를 잘 설명한다. 비로소 지금의 지구와 달을 가장 실제에 가깝게 설명하는 초고해상도 달 탄생 시뮬레이션이 완성되었다.

정말 45억 년 전 지구에 벌어진 대충돌이 달을 만든 것이라면, 문득 질문이 하나 뒤따른다. 지구 말고 태양계의 다른 암석 행성 수성, 금성, 화성에도 이런 일이 벌어질 수 있었을 텐데 왜 지구만 이런 큰 달을 거느리고 있을까? 이유는 간단하다. 우선 수성과 화성은 지구에 비해 훨씬 작다. 그래서 만약 지구-테이아 대충돌 같은 격렬한 충돌이 있었다면 수성과 화성 자체는 온전하게 살아남기 어려웠다고 볼 수 있다. 실제로 화성의 경우 훨씬 작은 감자, 고구마 같이 생긴 위성 두 개만 겨우 거느리고 있다. 그리고 이 작은 위성들은 우연히 화성 주변 소행성대에서 포획되었을 거라 추정하는 게 타당하다.

지구와 크기도, 중력의 세기도 비슷한 금성은 그럼 어떨까? 금성 정도면 지구-테이아 충돌도 버틸 수 있었을 것이고 당연히 충돌 이후 주변에 지구의 달 같은 큰 위성을 거느릴 수 있었을 것이다. 하지만 금성은 지구보다 태양계 더 안쪽에 있어서 태양 중력의 영향을 더 많이 받는다. 그래서 충돌 이후 금성 주변으로 퍼져나간 파편들은 금성에 붙잡히지 못하고 금성 바깥 태양 쪽으로 끌려가게 된다.

실제로 금성은 자전과 공전 방향이 180도 뒤집혀 있다. 많은 천문학자들은 오래전 멀쩡히 돌고 있던 금성의 자전축을 완전히 뒤집어버린 격렬한 충돌 사건이 있었을 거라 추정한다. 다만 이때 펴져나갔을지 모르는 파편과 금성의 달 후보 조각들은 금성 옆에 붙잡히지 못했고 태양 쪽으로 끌려갔을 것으로 생각한다. 그래서 지금처럼 금성은 혼자 자전축만 기울어진 채 주변에 아무런 위성도 없는 쓸쓸한 행성이 되었을 것이다.

최근에는 외계행성뿐 아니라 그 주변을 도는 더 작은 외계위성의 존재 가능성까지 찾는 시도가 이어지고 있다. 아쉽게도 아직은 완벽히 그 존재가 입증된 사례는 없다. 이미지=NASA/ESA

달은 오늘날 지구가 생명으로 가득한 행성이 될 수 있게 해준 가장 중요한 요인 중 하나로 손꼽힌다. 45억 년 전, 갓 만들어진 달은 지금보다 지구에 훨씬 가까웠다. 그만큼 지구 중력에 바닷물이 붙잡혀 함께 움직이며 벌어지는 밀물과 썰물도 더 극단적이었다. 그 덕분에 지구의 바닷물은 더 쉽게 요동쳐 혼합되었고 다양한 화합물이 반죽될 수 있는 좋은 무대가 되었다. 이는 지구의 원시 바다에서 복잡한 유기분자가 탄생하는 기폭제 역할을 해주었다. 또 달 덕분에 지구는 자전축이 살짝 기울어진 채 돌게 되었고, 주기적으로 따뜻했다가 추워지는 계절 변화가 벌어졌다. 항상 춥거나 덥다면 생명 활동에 오히려 불리하다. 주기적으로 온도가 변화하는 변동성이야말로 생명에 숨을 불어넣어주는 가장 중요한 요인이다.

지구 단 하나의 사례일 뿐이지만, 달이 한 역할을 보면 어떤 행성에 생명이 탄생하고 유지되기 위해선 그 곁의 덩치 큰 위성의 존재도 중요하다고 생각할 수 있다. 이제 천문학자들은 태양계를 넘어 다른 별 곁을 도는 외계행성에서도 외계위성의 존재를 찾고 있다. 그리고 지구처럼 주변을 도는 큰 위성 덕분에 밀물과 썰물이 벌어지고 안정적인 계절 변화가 벌어지는 또 다른 생명의 보고를 찾고 있다.

유사 지구-달 시스템을 찾기 위해선, 우선 우리의 달은 어떻게 탄생했는지, 어떻게 이런 긴 시간 동안 안정적으로 궤도를 돌며 지구 곁을 지킬 수 있었는지 그 비밀을 밝혀야 한다. 역사상 가장 정밀한, 초고해상도로 지구-달 시스템을 사실에 가깝게 재현한 이번 연구 결과가 그 비밀을 밝혀내는 데 중요한 분기점이 될 것이다.

참고

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac8d96

https://www.nasa.gov/feature/ames/lunar-origins-simulations/

https://www.nature.com/articles/ngeo2866

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com