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추석에 뜨는 보름달을 보며 사람들은 소원을 빈다. 그런데 달이 두 개라면 소원을 두 배로 빌 수 있을까. 지난 8월 4일자 ‘네이처’에는 재미있는 논문이 실렸다. 과거에는 달이 두 개였다가 하나로 합쳐져 오늘 우리가 보는 달이 됐다는 내용이다. 우리가 몰랐던 달 출생의 비밀이 밝혀진 것일까.



달의 지형도를 살펴보면 앞면과 뒷면이 매우 다르다는 점을 알 수 있다. 달의 앞면에는 우리가 바다라고 부르는 평평한 저지대가 많다. 용암이 흘러내린 듯한 지형이다. 반면 달의 뒷면은 매우 크고 깊은 크레이터 하나와 그 북쪽에 있는 높고 넓은 산지로 이뤄져 있다. 이 차이는 기하학적인 달의 중심과 달의 무게중심을 동일하지 않게 만든다. 달의 무게중심은 지구 쪽으로 약 2km 치우쳐 있다. 왜 이런 걸까. 최근에 발표된 논문들을 중심으로 알아보기로 하자.

이제는 상식이 됐듯이 달의 자전 주기는 공전 주기와 같다. 따라서 지구에서는 항상 달의 한쪽 면만 볼 수 있으며, 이를 달의 앞면이라고 부른다. 달의 뒷면은 아폴로 프로젝트로 세상에 처음 알려졌다. 그 이전에는 달 뒷면에 월인(月人)이 살지도 모른다는 생각을 하기도 했다. 아폴로15호는 레이저 고도계로 달의 뒷면을 관측해 지형도를 만들었다. 곧바로 달 지형도의 특성을 설명하기 위한 몇 가지 가설이 제시됐는데, 이런 가설을 설명하기 위해서는 먼저 달 생성론에 대해 이해해야 한다. 현재 달 생성 과정에 대한 핵심 가설 3가지는 대충돌설, 마그마 바다설, 후기집중충돌설이다.

달 탄생, 대충돌설이 가장 유력

태양계가 생긴 뒤 아주 초기에 화성 크기의 미행성이 지구와 충돌했다. 두 개의 핵은 합쳐져서 현재의 지구가 됐고, 나머지 물질이 지구 주위를 돌다가 다시 뭉쳐 달이 됐다는 가설이 대충돌설이다. 아폴로 우주인이 가지고 온 월석을 분석한 결과가 결정적인 증거였다. 산소 동위원소의 비율이 지구와 매우 비슷하게 나왔지만, 화성 운석이나 소행성 운석과는 다르게 나타났던 것이다.

이외에도 달의 기원에 대한 가설로는 쌍둥이설, 분리설,포획설이 있다. 쌍둥이설은 지구가 생길 때 강착원반(항성이나 행성 주위에 모이는 물질이 이루는 원반)에서 달도 같이 만들어졌다는 가설이다. 그러나 달의 철 성분이 지구보다 너무 적다는 사실과 맞지 않는다. 분리설은 원시 지구가 빠르게 회전할 때 달이 떨어져 나왔다는 가설이지만, 그렇게 되려면 지구의 자전이 매우 빨라야 한다. 포획설은 우연히 근처를 지나가던 달이 지구의 중력에 붙잡혔다는 가설인데, 그러기 위해서는 지구의 대기가 지금보다 훨씬 더 멀리까지 확장돼 있었어야만 한다. 이처럼 쌍둥이설, 분리설 등은 모두 오류가 있어 현재로서는 대충돌설이 가장 유력하게 인정받고 있다.


한편 대충돌 때 발생한 충돌에너지가 너무 커서 지구뿐만 아니라 달 전체에 마그마가 마치 바다처럼 퍼졌을 것이라는 가설이 마그마 바다설이다. 달 전체를 덮고 있던 액체상태의 마그마에서 밀도가 높은 감람석과 휘석은 가라앉아 하부 맨틀이 되고, 부력이 있는 사장석은 위로 떠올라 표면을 이루게 된다. 마그마가 식어 점점 딱딱해지면, 맨틀과 달 지표면 사이에 남은 물질은 그 중간 부분에서 굳는다.
 
이 영역은 알루미늄을 함유한 지표면과 철, 마그네슘이 많이 포함된 맨틀 사이에 낀 샌드위치 같은 영역으로, 주로 불화합원소가 집중적으로 분포돼 있다. 불화합원소란 칼륨(K), 희토류원소(REE), 인(P)을 통칭하며, KREEP라 부른다. 상식적으로 생각하면 이러한 KREEP들이 달에 골고루 분포되어야겠지만, 실제로는 달의 앞면에 주로 있다.

마그마 바다가 거의 식고 난 뒤 달에는 엄청나게 많은 소행성이 충돌했는데, 이를 후기집중충돌 가설이라고 한다. 최근의 태양계 생성에 관한 연구에 따르면 약 38억 년 전 목성과 토성의 영향으로 인해 갑자기 소천체 밀집 지역의 소천체들이 태양계 안쪽과 바깥쪽으로 한꺼번에 이동했다고 한다. 달과 수성처럼 화산이나 지각판 이동 같은 활동이 없는 곳에서는 충돌로 인한 운석구가 단기간에 매우 집중적으로 생겨난 현상을 확인할 수 있다.

대충돌설을 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현해 보면, 달은 지구의 3분의 1 만한 미행성이 지구와 충돌하면서 만들어졌다. 충돌 직후에는 달보다 작은 크기의 무수히 많은 소천체가 지구 주위를 달과 함께 돌고 있었다. 달이나 지구 가까이에 있던 소천체의 대부분은 달과 지구의 중력에 의해 끌려들어가 사라지고, 달과 지구의 중력이 균등하게 미치는 라그랑주 지점에서는 상당히 오랫동안 소천체가 생존할 수 있다.

이러한 천체를 트로이 소행성이라고 한다. 과거에는 주로 목성과 해왕성, 그리고 화성에서만 발견됐는데, 최근에는 지구 주위에서도 '2010 TK7'이라는 소천체가 처음으로 발견됐다. 이 소천체는 달과 같은 궤도를 돌지만 달보다 60° 앞서 지구를 돌고 있다. 이 궤도는 수천만 년 동안 달과 충돌하지 않을 만큼 안정적이다. 지구에서 본다면 달보다 4시간 먼저 뜨고 지는 것이다.




[달과 트로이 달의 충돌 시뮬레이션.]

라그랑주 지점에 있던 달의 형제

과거 지구에 또 다른 달이 하나 더 있었다는 가설이 8월 새롭게 등장했다. 대충돌로 달이 만들어졌을 때 라그랑주 지점에 생긴 트로이 달이 수천만 년 동안 현재의 달과 공존했다는 가설이다. 질량이 달의 4%(지름이 달의 약 3분의 1)인 작은 달이 따로 있다가 오랜 시간이 지난 뒤 달과 매우 느린 속도로 충돌한다면 달 앞면과 뒷면의 지형과 구성 성분의 차이를 상당히 잘 설명할 수 있다. 대충돌설에 사용된 시뮬레이션을 달과 또 다른 달 사이의 충돌에 적용한 것이다. 수천만 년 정도가 지났을 때 마그마 바다를 이루고 있던 뜨거운 달의 표면은 어느 정도 식어서 딱딱해졌지만 아직 내부까지 다 식지는 않은 상태였다. 반면 트로이 달은 크기가 작기 때문에 빨리 식었을 것이다.


[아폴로15가 가져온 월석.]

시뮬레이션 결과 트로이 달과 달의 충돌속도가 초속 2.4km일 때 달 지형을 가장 잘 설명할 수 있었다. 통상적인 소행성이 지구나 달에 충돌하는 속도가 초속 7~20km인데 비해 매우 느린 속도다. 소행성은 태양을 돌다가 바로 지구와 충돌하기 때문이다. 하지만 이 경우에는 트로이 달이 달과 같은 궤도를 돌다가 태양과 지구의 중력 섭동 때문에 궤도가 불안정하게 된 것이라 충돌 속도가 이 정도로 느려질 수 있다.

보통 운석은 매우 빠른 속도로 충돌해 커다란 크레이터를 만든다. 충돌한 운석은 녹아서 없어지지만, 이렇게 느린 충돌이 일어나면 트로이 달의 물질이 녹지 않고 그대로 달에 합쳐진다. 충돌하면서 트로이 달은 달 충돌 부위 근처에 납작하게 붙고, 원래 달에 있는 마그마 바다의 물질은 충격에 밀려 반대 방향으로 움직인다. 트로이 달이 달라붙은 부분이 달 뒷면에 있는 높은 산지에 해당한다. 그리고 밀려난 달 마그마 바다의 물질은 KREEP인데, 현재 달 앞면에 주로 있다. 이 가설에 의하면 달 뒷면에서 발견되는 물질은 트로이 달에서 왔기 때문에 원래 달보다 오래됐을 것으로 예상되지만, 아직 달 뒷면에서 채취한 월석은 없다.

아폴로 프로그램 덕분에 우리는 달에 관해 많은 사실을 알게 되었고, 이를 바탕으로 달의 탄생을 이론적으로 설명하는 방법을 상당히 많이 개발했다. 하지만 지금까지 제시된 가설을 검증하기 위해서는 더 많은 관측 증거와 실제 증거가 필요하다. 인간은 아직 달 뒷면의 월석도 가져오지 못했다.

사람들은 가장 가까운 천체로 인간이 유일하게 발을 디뎌본 달에 대해서라면 모든 것을 알고 있으리라 생각할지 모른다. 그러나 지구에도 여전히 우리가 가보지 못하는 장소와, 이해하지 못하는 일이 많듯이 달도 아직 수수께끼로 가득 찬 미지의 세계다.