원시 지구에 화성 크기의 천체가 충돌하면서 달이 형성됐을 것이라는 '거대충돌설'의 상상도. NASA 제공
달은 약 44억 년 전 원시 지구에 화성 크기의 천체 ‘테이아(Theia)’가 충돌하면서 부스러기가 생겼고, 이런 부스러기들이 지구 주위를 돌다가 뭉쳐지면서 만들어졌다. 달의 탄생을 설명하는 ‘거대충돌설(Giant impact theory)’이다.
○ 아폴로가 가져온 월석에서 염소(Cl) 동위원소 분석
현재 학계에서는 달의 탄생을 크게 4가지 이론으로 설명한다. 그 가운데 거대충돌설이 가장 유력한 이론으로 꼽힌다. 근거는 달에서 가져온 월석(月石)이다.
미국항공우주국(NASA)은 1969년 아폴로 11호가 우주인을 태우고 달 착륙에 성공한 이후 1972년 아폴로 17호가 마지막 아폴로 임무를 완수할 때까지 아폴로가 지구에 돌아올 때마다 월석 샘플을 가져오게 했다. 그리고 월석의 성분을 분석해 지구의 암석 성분과 비교했다.
웨인 버클리 NASA 존슨우주센터 박사는 미국 뉴멕시코대, 컬럼비아대 등 연구진과 공동으로 50년 전 아폴로가 가져온 월석에서 이번에는 염소(Cl) 원자를 분석했다. 염소 원자는 중성자의 수에 따라 여러 동위원소가 존재한다. 지구에는 질량수가 35인 염소(Cl-35)와 질량수가 37인 염소(Cl-37)가 가장 많다.
거대충돌설에 따르면 매머드급 충돌이 발생한 직후에는 원시 지구와 달 부스러기들이 서로 섞인 채로 떠돌아다닌다. 염소 원자도 질량수가 큰 동위원소와 작은 동위원소가 섞여 있을 수밖에 없다.
그러다가 점차 지구의 중력이 가해지면 가벼운 염소 동위원소는 중력에 의해 지구로 끌려오게 되고, 상대적으로 무거운 동위원소는 중력의 영향을 덜 받아 달에 남게 된다. 그 결과 부스러기들이 뭉쳐져 달의 모습을 갖추게 될 즈음에는 달에 무거운 염소 동위원소가 대부분을 차지하게 된다.
연구팀은 이처럼 지구와 달에서 염소 동위원소의 구성비가 다르게 나타난다며, 이는 거대충돌설을 뒷받침하는 증거라고 설명했다. 이 연구결과는 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’ 9월 22일자에 실렸다.
○ 동시생성설, 포획설, 분리설…설득력 잃어
그간 월석의 동위원소비를 분석해 거대충돌설을 뒷받침하는 연구는 여럿 나왔다. 지구와 달에서 산소나 텅스텐, 티타늄 등 특정 원소의 동위원소비가 같다는 사실을 밝혀낸 연구가 대표적이다.
동위원소비가 같다는 뜻은 두 천체가 특정 사건에 의해 생성됐다는 뜻인 만큼 거대충돌설을 설명하는 강력한 증거로 받아들여졌고, 한편으로는 거대충돌설을 제외한 다른 달 탄생 가설을 반박하는 근거로 쓰였다.
가령 태양계가 생성될 때 지구와 달이 동시에 생겼을 것이라고 주장하는 ‘동시생성설’은 지구와 달을 구성하는 원소의 비율이 서로 다르다는 점에서 설득력을 잃었다. 지구와 달이 함께 생겨났다면 원소의 구성성분비가 비슷해야 하기 때문이다.
지나가던 달이 지구의 중력에 이끌려 포획되면서 지구의 위성이 됐을 것이라는 ‘포획설’은 두 천체의 성분이 완전히 달라야 하는데 그렇지 않다는 점에서 지지를 얻지 못하고 있다.
또 지구의 원심력에 의해 달이 떨어져나와 현재의 모습이 됐을 것이라는 ‘분리설’은 달의 밀도가 지구의 60% 수준이라는 사실이 밝혀지면서 힘을 잃었다.
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