태양계 4강. 달: 지구의 동반자
달은 지구의 파편으로 태어나, 조석으로 지구의 하루를 늘려 왔고, 지금도 해마다 3.8cm씩 멀어지고 있습니다.
풀고 시작
달은 어디서 왔는가
달은 어디서 왔을까요? 20세기 중반까지 후보 가설은 셋이었습니다. 빠르게 자전하던 초기 지구에서 떨어져 나갔다는 분리설(다윈의 아들 조지 다윈이 주창했습니다), 다른 곳에서 만들어진 천체를 지구가 붙잡았다는 포획설, 지구 곁에서 함께 자랐다는 동시 형성설이죠. 그런데 각각 치명적 약점이 있었습니다. 분리설은 필요한 자전 속도가 비현실적이고, 포획설은 그만한 천체를 부수지 않고 붙잡을 방법이 마땅치 않으며, 동시 형성설은 달에 철 핵이 거의 없는 이유를 설명하지 못합니다.
판을 바꾼 것은 아폴로 계획이 가져온 382kg의 월석이었습니다. 분석 결과 산소 동위원소 조성이 지구와 거의 같았고, 물 같은 휘발성 물질은 지구보다 훨씬 적었으며, 달 전체가 한때 녹아 있었음을 시사하는 사장암 지각이 확인되었죠. 이 증거들과 가장 잘 맞는 그림이 거대 충돌설(giant impact hypothesis)입니다. 약 45억 년 전 화성만 한 원시 행성(테이아라 불립니다)이 지구에 비스듬히 충돌했고, 튕겨 나간 파편 원반이 뭉쳐 달이 되었다는 것입니다. 충돌의 열이 휘발 성분을 날렸고, 파편이 주로 두 천체의 맨틀에서 나왔기에 달의 철 핵이 작습니다. 1984년 코나 학회를 기점으로 거대 충돌설은 표준 가설로 자리 잡았습니다. 다만 동위원소가 "너무 같다"는 점은 여전히 활발한 논쟁거리라서, 충돌 시나리오의 세부는 계속 수정되고 있습니다.
조석: 달이 하루를 늘려 왔다
달의 중력은 지구의 가까운 쪽을 먼 쪽보다 강하게 당깁니다. 이 차이가 바닷물을 양쪽으로 부풀려 하루 두 번의 밀물과 썰물, 곧 조석(tide)을 만들죠. 태양도 절반쯤의 힘으로 거들기 때문에, 태양과 달이 일직선이 되는 보름과 그믐에는 조차가 커집니다(사리).
그런데 조석은 시계이기도 합니다. 지구는 조석의 부풂을 끌고 돌면서 자전 에너지를 잃고, 그 각운동량은 달에게 넘어갑니다. 결과는 두 가지입니다. 지구의 하루는 길어지고, 달은 멀어집니다. 아폴로 우주인들이 설치한 반사경에 레이저를 쏘아 측정한 결과, 달은 해마다 약 3.8cm씩 멀어지고 있습니다. 과거의 기록도 남아 있죠. 산호는 매일 성장선을 새기는데, 약 4억 년 전 데본기 산호 화석의 성장선을 세면 1년이 400일가량이었다는 계산이 나옵니다. 당시 하루는 22시간이 되지 않았다는 뜻이죠. 달은 문자 그대로 지구의 하루를 늘려 온 동반자입니다. 같은 원리로 달은 이미 지구에 잠겨, 늘 같은 면만 지구를 향합니다.
위상과 식
달이 차고 기우는 것은 달 모양이 변해서가 아니라, 태양 빛을 받는 반구를 우리가 어떤 각도에서 보느냐의 문제입니다. 삭에서 초승, 상현, 보름을 지나 다시 삭으로 돌아오는 위상 주기는 약 29.5일이죠. 태양, 지구, 달이 정확히 일직선에 놓이면 식(eclipse)이 일어납니다. 보름에 지구 그림자가 달을 가리면 월식, 삭에 달이 태양을 가리면 일식입니다. 매달 일어나지 않는 이유는 달의 궤도가 지구 공전면에 대해 약 5도 기울어 있어 대개는 그림자가 비껴가기 때문이죠. 여기에 놀라운 우연이 하나 있습니다. 태양 지름은 달의 약 400배지만 거리도 약 400배 멀어, 하늘에서 두 원반의 크기가 거의 같습니다. 개기일식이라는 장관은 이 우연의 산물이고, 달이 계속 멀어지고 있으므로 먼 미래에는 사라질 풍경입니다.
아폴로의 유산과 새 경쟁
1969년 아폴로 11호부터 1972년 17호까지 열두 명이 달을 밟았습니다. 아폴로가 남긴 것은 깃발이 아니라 시료와 데이터입니다. 월석은 달 기원 논쟁을 정리했고, 방사성 연대 측정으로 크레이터 개수와 나이를 맞춰 보는 눈금을 제공해 태양계 전체 표면의 나이를 읽는 기준이 되었죠. 반세기의 공백 뒤, 달은 다시 붐비고 있습니다. 중국은 창어 4호로 2019년 최초의 달 뒷면 착륙에 성공했고, 인도는 2023년 찬드라얀 3호로 남극 부근에 착륙했습니다. 미국의 아르테미스 계획은 유인 착륙 복귀를 준비하고 있죠. 새 경쟁의 초점은 남극의 영구 그늘 크레이터에 있는 얼음입니다. 물은 마실 것이자 연료(수소와 산소)이기 때문에, 달은 이제 목적지가 아니라 더 먼 탐사의 발판으로 재정의되고 있습니다.
인출 문제
생각해볼 질문 (정답 없음)
- 달이 없었다면 지구의 자전축과 하루, 조석은 크게 달랐을 겁니다. 달의 존재는 지구 생명 진화의 필수 조건이었을까요, 아니면 없어도 되는 우연이었을까요.