달 탄생과정의 가장 큰 비밀 풀렸다

45억년 전 원시지구가 다른 행성과 충돌하면서 나온 파편이 뭉쳐 달이 만들어졌다는 ‘거대 충돌설’을 뒷받침하는 연구결과가 나왔다.

이스라엘 테크니온 공대와 프랑스 국립과학연구소(CNRS) 공동연구진은 8일(현지시각) 과학학술지 ‘네이처’에 발표한 논문에서 “태양계 형성 초기의 모습을 컴퓨터로 시뮬레이션한 결과 원시지구와 충돌한 행성은 원래 지구와 유사한 성분이었고, 그 때문에 현재 지구와 달의 성분이 비슷한 것으로 추정된다”고 밝혔다.

45억년 전 원시지구에 화성 크기의 행성 '테이아'가 충돌하는 상상도. /네이처

달의 탄생에 대해서는 오래전부터 여러 학설이 있었다. 지구를 형성하고 남은 소행성들이 지구 주변에서 서로 뭉쳐 만들어졌다는 ‘집적설’, 지구의 일부가 떨어져나갔다는 ‘분열설’ 등이 있었다. 하지만 이들 이론은 현재 지구와 달의 운동을 설명하지 못했다. 이 때문에 현재는 1946년 미국 하버드대의 레저널드 댈리가 제안한 거대 충돌설이 가장 유력하게 받아들여진다. 거대 충돌설은 45억년에 뜨거운 마그마가 끓고 있던 원시지구에 자신의 절반 정도 크기인 행성 ‘테이아(Theia)’가 충돌, 산산히 부서지면서 일부는 지구로 흡수되고 나머지 파편과 먼지가 서서히 뭉쳐 달이 됐다는 것이다.

하지만 지금까지의 거대 충돌설은 ‘지구와 달의 구성성분이 비슷한 이유’에 대해서는 설명하지 못했다. 아폴로 계획 등을 통해 달에서 가져온 암석은 산소 동위원소의 비중이 지구의 암석과 비슷하다. 산소는 중성자를 16개 가진 O16, 17개 가진 O17, 18개 가진 O18 등 세 종류의 동위원소가 있다. 지구의 경우는 O16이 99.757%, 017이 00381%, O18이 0.205%로 구성돼 있다. 태양계의 행성과 혜성, 소행성 등은 산소 동위원소 비율이 모두 다르다. 이는 태어날 당시에 태양과의 거리에 따라 온도나 압력 등 형성 조건이 달랐기 때문이다.
거대 충돌설이 맞다면 원시지구에 충돌했던 테이아 역시 지구와는 산소 동위원소 비율이 달랐을 것이고, 테이아의 파편으로 만들어진 달 역시 산소 동위원소 비율이 지구와 달라야 한다.

이스라엘·프랑스 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 태양계 형성 초기의 모습을 재현, 행성의 탄생 과정을 살폈다. 수천개의 초기행성들이 어떻게 충돌하고 뭉쳐지는지를 구체적으로 추적했다. 연구팀은 “기존에는 컴퓨터 계산능력의 한계로 일부 초기 행성의 움직임만 재현할 수 있었지만, 우리는 초기 태양계에서 일어날 수 있는 모든 상황을 대입해 시뮬레이션했다”고 밝혔다. 그 결과 원시지구와 테이아가 충돌하는 시기에는 두 행성이 비슷한 구성성분을 가졌을 가능성이 있는 것으로 나타났다. 시뮬레이션에 따르면 비슷한 궤도에 있는 초기 행성들은 서로 충돌하고 합쳐지는 과정이 지속적으로 일어났다. 45억년 전 충돌 당시의 지구와 테이아 역시 주변의 조그마한 행성이나 소행성들과 충돌하고 합쳐지는 과정을 숱하게 겪은 후였다. 이 때문에 태생적으로는 산소 동위원소 비중이 달랐더라도, 다른 천체와 각기 섞이는 과정에서 구성성분이 점차 비슷해졌다는 것이다.
한국천문연구원 최영준 박사는 “원시지구와 테이아의 성분이 비슷했고, 그 결과 오늘날 지구와 달의 성분이 비슷할 수 밖에 없다는 것”라며 “거대 충돌설의 가장 큰 궁금증을 해결한 연구결과로, 모든 천체가 구성성분이 다 다를 수 밖에 없다는 기존의 고정관념도 깨뜨린 중요한 성과”라고 설명했다.

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