그동안 과학자들은 달의 기원에 대해서 여러 가지 가설을 던져왔습니다. 과학자들은 아주 오랜 시간 갑론을박했는데 결국 답은 나오지 않았습니다 그리고 1974 년 '거대 충돌설'이 제기됩니다. 어떤 천체가 지구에 충돌하는 바람에 파편이 생기고 그 파편이 모여서 달이 됐을 거라는 것입니다. 이 거대 충돌설에 따르면 무려 화성만 한 천체가 지구와 충돌, 여러 가지 파편이 모여서 달이 됐다고 합니다.
1. 달의 기원
아주 오래전 태양계는 행성들로 북적북적했다고 합니다. 행성들이 적어도 20 개에서 100 개까지도 있었을 거라고 합니다. 이 행성들 중에 하나가 바로 '테이아'인데 이 행성이 나중에는 지름 6,000km 거의 화성크기까지 커진 겁니다. 그래서 이 테이아가 흐트러지고 약 45억 년 전 결국 원시지구하고 충돌하게 됐습니다 이 두 행성이 충돌하면서 수많은 파편들이 생겼고 그 파편들이 모여서 달이 되었다는 것이 바로 거대 충돌설입니다. 물론 처음에 이 가설은 말도 안 되는 허무맹랑한 소리라는 취급을 받았습니다. 그런데 지금은 가장 유력한 달 탄생 가설입니다. 거대 충돌설이 가장 유력하게 된 계기는 미국이 유인 달 탐사에 나선 이후부터입니다. 이제 나사(NASA)가 아폴로 계획을 통해서 달 토양을 채취해서 지구로 가져왔습니다. 그런데 달 토양을 지구에서 분석을 해보니까 달 토양과 지구 토양이 같은 물질로 구성돼 있다는 게 밝혀졌습니다. 화학조성도 거의 비슷하고 동위원소 함량도 상당히 유사했기 때문입니다. 또 달 암석을 조사해 보니까 대략 45억 년 전에 만들어졌다는 걸 알아냈습니다. 그런데 대충돌 가설로 달의 탄생을 설명하면 달과 지구의 암석성분이 거의 비슷한 이유가 설명이 됩니다. 또 대충돌 가설은 달의 유난히 큰 각운동량도 설명할 수 있습니다. 보통 위성들의 크기는 모행성보다 아주 작습니다. 그런데 다른 지구하고 비교하면 그 지름이 4 분의 1이나 되어 모행성에 비해서 위성의 크기가 지나치게 큰 건데 이것 역시도 대충돌 가설로 설명이 가능합니다. 또 원시지구 하고 테이아가 충돌했을 때 엄청난 고열이 생겼을 겁니다. 그때 고열 때문에 변성된 흔적도 달 토양에서 발견됐습니다. 우리 지구의 핵 하고 맨틀은 지구 크기에 비해서 유난히 큽니다 그런데 테이아의 핵과 맨틀이 지구의 핵과 맨틀하고 합쳐졌다면 이 지구의 거대한 핵과 맨틀의 사이즈도 설명이 됩니다. 마지막으로 우리 지구의 자전축은 23.5도 정도 기울어져 있는데 테이아와 지구가 충돌하면서 자전축이 기울어졌다고 설명할 수 있습니다. 달 토양을 직접 가져왔고 이 달 토양을 분석해 낸 덕분에 우리 인류는 달에 대해서 정말 많은 것을 알아낼 수 있었습니다. 그리고 지구와 테이아와 대충돌 사건 이후 달이 생겨났다는 설이 거의 정설이 됐습니다.
2. 형성 과정
거대 충돌설의 세부적인 사항은 과학자들마다 그 의견이 분분합니다. 그래서 이 거대 충돌설에 대한 의견도 또 여러 개로 갈립니다. 지구와 충돌했을 때 파편들이 지구의 띠를 먼저 만들고 나서 그 띠가 뭉쳐져서 달이 되었을 거라는 주장과 파편들이 뭉쳐서 처음엔 두 개에 달로 갈라져 있다가 대략 7 천만년 전에 두 개의 달이 서로 합쳐지면서 지금의 달이 되었을 거라는 주장이 있습니다. 가설에서 달이 만들어지는 기간은 아무리 짧아봐야 수개월에서 길면 백 년 이상이라는 의견이 대세였습니다. 그런데 얼마 전에 나사의 에임스 연구센터의 제이콥 케그리스 박사 연구팀은 달은 하루 만에 만들어졌을 거라고 주장했습니다. 제이콥 케그리스박사 연구팀은 이 테이아와 원시 지구의 충돌을 시뮬레이션 돌렸습니다. 지금까지 돌렸던 그 어떤 프로그램보다 해상도가 높고 자유도도 높고 설정 값도 많이 만질 수 있고 상당히 디테일하다고 합니다. 그래서 연구팀은 입자에게 개수를 십만 개부터 일억 개까지 늘려가면서 시뮬레이션 결과를 비교했습니다. 일반적인 시뮬레이션 프로그램은 보통 십만 개에서 백만 개입자를 돌린다고 합니다. 그런데 이번 건은 무려 1억 개까지 돌린다고 하니까 대충 계산해도 100배 차이가 납니다. 그런데 정확한 시뮬레이션 입자에게 수가 왜 그렇게 중요할까? 좀 쉽게 설명을 해보자면 이제 휴대폰 카메라로 사진 찍었을 때랑 천만 원짜리 미러리스로 사진 찍었을 때랑 그 해상도 차이가 압도적입니다. 이것하고 비슷한 원리라고 보면 됩니다. 컴퓨터에 계산 속도가 느렸던 과거의 시뮬레이션은 입자의 개수도 적고 많은 변수를 넣을 수 없었다고 합니다. 그런데 지금은 입자만 이렇게 중력뿐만 아니라 훨씬 계산이 한 유체역학도 넣었습니다. 이게 왜 중요하냐면은 원시 지구 하고 테이가 충돌했을 때 엄청난 에너지와 고열이 발생하면서 지구와 테이아의 땅은 기화되고 가연성 물질들은 다 타버렸을 겁니다. 그래서 충돌당시에 물질들은 거의 용암처럼 녹아버리고 기체처럼 날아갔을 겁니다. 그런데 이런 상황에다가 시뮬레이션을 중력감값 놓고 입자의 수까지 적다면 당연히 계산이 부정확했을 겁니다. 그런데 이번에는 입자의 개수도 많고 중력값에 유체역학까지 넣었으니까 훨씬 정확한 시뮬레이션이 가능한 겁니다. 시뮬레이션 결과, 지구하고 테이아가 충돌해서 테이아와 지구가 완전히 산산조각 납니다. 떨어져 나간 파편들은 이제 궤도비행을 하게 되는데, 7시간이 지나고 나서는 지구, 달 그리고 그 사이에 있는 또 하나의 파편으로 나눠지고 가운데 파편은 9시간 후에 다시 지구의 부딪치게 되고, 대략 30시간이 지나고 나니까 이제는 달과 지구로 완전히 분리가 된 모습을 보여줍니다. 이렇게 시뮬레이션 결과에 따르면 지구와 테이아가 충돌하고 나서 작은달이 단 7 시간 만에 만들어졌고, 완전한 달의 모습은 하루하고도 조금 더 걸린 겁니다. 제이콥 케그리스 박사 연구팀은 비교를 위해서 시뮬레이션을 하나 더 돌려봅니다. 옛날 방식 그대로 입자개수를 줄여서 시뮬레이션을 돌린 결과, 옛날에 진행했던 시뮬레이션하고 비슷하게 덩치 큰 조각이 생겼다가 다시 지구로 가라앉고 아주 작은 파편들은 남아서 지구의 고리를 형성했습니다. 그리고 이 고리는 시간이 지나면서 하나로 뭉쳐져서 달이 되었습니다. 오래전에 거대 충돌설을 주장했던 학자들은 이 저해상도 시뮬레이션을 근거로 지구의 고리가 먼저 만들어지고 나서 이 고리가 뭉쳐서 달이 되었다고 주장했던 것입니다. 반면에 고해상도로 시뮬레이션을 진행하면 조각이 두 개로 갈라지고, 지구 바로 아래 있던 이 조각은 다시 지구로 떨어져서 지구랑 합쳐지고 왼쪽 아래 있는 조각은 하루 남짓한 시간 만에 다리 되었습니다. 또 저해상도로 시뮬레이션을 진행해 봤더니 달의 질량은 지구 질량의 6%까지 성장했습니다. 지나치게 무거운 겁니다. 반면에 고해상도로 시뮬레이션을 진행해 봤더니 달의 질량은 지구 질량의 1%까지 성장했습니다. 지금 달의 질량이 지구 대비 80분의 1 가량 되니까 이번 시뮬레이션이 훨씬 더 달이 만들어지는 과정을 잘 분석한 것입니다. 물론 이 연구 결과가 100% 옳은 것은 당연히 아니기에, 연구진에 따르면 달 표면 훨씬 깊은 곳에 암석도 확인해야 된다고 합니다.
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