45억 년 전 충돌 이후 밤하늘에 남게 된 달의 시작

밤하늘을 올려다보면 달은 너무 익숙한 천체처럼 보인다. 하지만 과학자들은 오랫동안 이 위성이 어떻게 만들어졌는지를 쉽게 해석하지 못했다. 지구와 지나치게 가까운 거리, 예상보다 큰 크기, 이상할 정도로 비슷한 암석 성분은 기존 이론만으로는 잘 맞지 않는 부분이 많았기 때문이다. 한때는 지구 일부가 떨어져 나갔다는 주장도 등장했고, 외부 천체가 붙잡혔다는 가설도 이어졌다. 그러나 예측값이 맞지 않거나 궤도 변화가 충분히 설명되지 않는 경우가 반복해서 나타났다. 이후 거대한 충돌이 달의 시작과 연결됐다는 새로운 이론이 중심에 올라왔지만, 이 역시 지금까지 수정과 검토가 계속 진행되고 있다. 45억 년 전 충돌 이후 만들어졌다고 알려진 달의 시작을 따라가다 보면, 지금 밤하늘에 떠 있는 저 위성이 과연 어떤 과정을 거쳐 현재 모습으로 남게 되었는지 다시 질문하게 되는 순간도 생긴다.

 

달은 왜 이렇게 설명하기 어려운 천체로 남아 있었을까

밤하늘에서 가장 익숙하게 보이는 천체 가운데 하나가 달이다. 거의 매일 볼 수 있을 정도로 가까이 존재하고 밝기 변화도 쉽게 확인된다. 그런데 과학자들은 오랫동안 이 위성이 어디서 왔는지를 명확하게 해석하지 못했다. 이유는 생각보다 단순하지 않았다. 이 위성은 지구 가까이에 붙어 있는 천체지만 크기 비율이 상당히 특이한 편에 속한다. 다른 행성과 위성을 비교해 보면 이런 조합은 흔하지 않다. 암석 성분 역시 이상할 정도로 비슷했다. 처음에는 지구 주변에서 자연스럽게 만들어졌을 것이라는 주장도 나왔다. 실제 비교 자료를 맞춰 보면 쉽게 해결되지 않는 부분이 계속 등장했다. 포획된 천체라고 보기에도 궤도가 지나치게 안정적이었다. 결국 달은 “당연히 존재하는 천체”처럼 보였지만, 형성 과정을 설명하려고 하면 예상이 자꾸 어긋나는 대상에 더 가까웠다.

초기 이론들은 왜 하나씩 흔들리기 시작했을까

달의 기원을 설명하려는 시도는 오래전부터 계속 검토됐다. 가장 먼저 널리 알려진 해석 가운데 하나는 분리설이었다. 초기 지구가 매우 빠르게 회전하면서 일부 물질이 떨어져 나갔고, 그것이 달이 되었다는 주장이다. 처음에는 그럴듯해 보였다. 지구와 이 위성의 성분이 비슷하다는 점도 어느 정도 맞아 들어갔기 때문이다. 시간이 지나면서 공개 데이터와 실제 예측값 사이에 어긋나는 부분이 계속 드러났다. 현재 지구 자전 속도로는 그런 규모의 분리가 어렵다는 계산 결과도 반복해서 등장했다. 포획설도 등장했다. 원래 다른 지역을 돌던 천체가 지구 중력에 붙잡혀 위성이 되었다는 이야기다. 성분 차이가 예상보다 지나치게 적었다. 외부에서 들어온 천체라면 지금보다 훨씬 다른 특징이 나타나야 한다는 의견도 많았다. 공동 형성설 역시 한동안 주목받았다. 지구와 달이 같은 물질 원반 안에서 동시에 만들어졌다는 해석이다. 형성 과정 자체는 비교적 자연스러웠지만, 내부 밀도와 철 성분 비율까지는 충분히 맞아떨어지지 않았다. 어떤 이론은 궤도가 어긋났고, 어떤 가설은 화학 성분이 잘 맞지 않았다. 예측 모델을 다시 수정할수록 기존 해석은 하나씩 흔들리기 시작했다.

거대한 충돌 가설은 왜 오래 살아남게 되었을까

현재 가장 널리 받아들여지는 방향은 거대 충돌 가설이다. 약 45억 년 전, 아직 완전히 안정되지 않았던 초기 지구에 화성 크기의 원시 행성이 충돌했다는 내용이다. 과학자들은 이 가상의 행성을 ‘테이아’라고 부른다. 테이아가 비스듬히 충돌하면서 엄청난 양의 물질이 우주 공간으로 튀어나왔고, 그 파편들이 지구 주변에서 거대한 원반 형태로 퍼졌다는 결과가 등장했다. 시간이 지나면서 파편은 서로 충돌하고 다시 뭉치기 시작했다. 그렇게 형성된 거대한 덩어리가 현재의 달로 남게 됐다는 분석이다. 이 가설이 중심에 올라오기 시작한 이유는 이전 예측값과 비교적 잘 맞아 들어가는 부분이 많았기 때문이다. 암석 성분이 지구 맨틀과 매우 비슷하다는 점도 함께 설명 가능했다. 컴퓨터 시뮬레이션 안에서도 실제와 가까운 충돌 장면이 자주 확인됐다. 아폴로 탐사 이후 가져온 암석 자료 역시 이 이론에 힘을 실어 주었다. 충돌 이후 형성된 구조 안에서는 지구 초기 물질과 유사한 특징이 반복해서 드러났기 때문이다. 지구 주변에 퍼져 있던 파편 원반 이미지를 보다 보면 예상보다 훨씬 거대한 규모에 잠깐 시선이 멈추기도 했다. 물론 이것이 완전히 끝난 계산으로 받아들여진 단계는 아니었다. 다만 지금까지 등장했던 해석 가운데 가장 많은 자료를 동시에 설명해 내는 핵심 이론으로 오래 남아 있었다.

달의 시작을 둘러싼 논쟁은 아직 끝나지 않았다

거대 충돌 가설이 중심 설명으로 자리 잡은 뒤에도 문제는 계속 검토되고 있다. 충돌 각도가 정확히 어떠했는지, 얼마나 큰 에너지가 발생했는지에 따라 결과 자체가 크게 달라졌기 때문이다. 일부 시뮬레이션에서는 내부 철 성분 비율이 예상과 다르게 나타나기도 했다. 동위원소 차이를 충분히 설명하기 어렵다는 분석도 계속 공개되고 있다. 시간이 지나면서 내부 깊은 구조를 다시 계산하는 자료도 자주 등장하고 있다. 표면에 물이 얼마나 남아 있는지 역시 논쟁 가운데 하나다. 초기 충돌 과정이 그렇게 뜨거웠다면 수분이 거의 사라졌어야 한다는 주장도 있었다. 새 자료가 공개될 때마다 얼음 흔적 가능성 역시 반복해서 언급됐다. 충돌 조건 역시 계속 수정되고 있다. 예측 환경이 조금만 달라져도 충돌 이후 만들어지는 파편 구조 자체가 크게 달라지는 경우가 많았기 때문이다. 새 자료가 나올 때마다 조건이 다시 수정되는 모습이 반복됐다. 완전히 정리된 결론이라기보다, 계속 수정되는 연구 과정에 가까운 인상이 더 강하게 남아 있었다. 어느 날에는 충돌 시뮬레이션 영상을 다시 재생해 보며 파편 원반이 달로 뭉쳐 가는 장면을 몇 번이나 반복해서 보게 되기도 했다.  

달의 탄생은 결국 지구 환경까지 바꾸게 됐다

달의 형성은 단순히 위성 하나가 생긴 사건으로 끝나지 않았다. 이후 지구 환경에도 꽤 큰 영향을 남긴 것으로 계속 검토되고 있다. 대표적인 사례가 자전축 안정이다. 현재 지구는 비교적 일정한 기울기를 유지하며 자전하고 있다. 이 위성의 중력이 이런 흔들림을 줄여 주고 있다는 관련 자료도 꾸준히 공개되고 있다. 바다 움직임 변화도 달과 깊게 연결된다. 조석 작용이 반복되면서 해양 환경 흐름에도 영향을 남겼고, 일부 비교 자료에서는 초기 생명체 진화 과정과 연결 가능성까지 함께 검토하고 있다. 만약 지금처럼 큰 위성이 존재하지 않았다면 현재 지구 환경 자체도 상당히 달라져 있었을 수 있다는 의견이 자주 등장한다. 달은 그냥 밤하늘 풍경으로만 보기가 어려워지는 순간도 있었다. 

다음에 달을 볼 때는 조금 다르게 보일 수도 있다

보름달이나 초승달을 바라볼 때 대부분은 밝기 변화나 형태부터 먼저 떠올린다. 그런데 달이 만들어졌다는 과정을 따라가다 보면 시선 방향이 조금 달라진다. 다음에 밤하늘 위 둥근 달을 다시 보게 된다면, 단순히 익숙한 풍경보다 훨씬 오래된 충돌 흔적이 먼저 떠오를 수도 있다. 현재 지구 곁을 돌고 있는 저 위성이 사실은 초기 태양계 파편에서 시작됐을 가능성이 있기 때문이다. 망원경 사진 속 분화구나 거친 표면을 다시 들여다보게 되는 순간도 생긴다. 달 사진을 확대해 놓고도 저 흔적 가운데 어느 부분이 초기 충돌과 연결될 수 있는지 괜히 찾아보게 되는 날도 있었다. 수십억 년 전 충돌과 파편 이동, 식어 가던 초기 표면 변화가 지금까지 남아 있기 때문이다. 밤하늘 위 조용히 떠 있는 달을 보고 있으면, 아직도 계산이 끝나지 않은 연구 이야기가 함께 떠오르기도 한다.