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지구 101 명왕누대·시생누대

달은 어떻게 생겼나

— 테이아 충돌설과 그 증거

45억 년 전 화성만 한 천체가 원시 지구와 부딪혔고, 튀어나온 파편이 뭉쳐 달이 됐다는 가설. 아폴로가 가져온 돌이 왜 결정적 증거였고, 지금 이 가설은 어떤 난관에 부딪혔나.

101 · 지구 101LESSON 004

지구 101 004

오늘의 질문

화성에는 달이 두 개 있지만 감자만 합니다. 금성과 수성에는 아예 없습니다. 그런데 지구의 달은 지구 지름의 4분의 1이나 됩니다. 태양계에서 이런 조합은 흔치 않습니다. 왜 우리만 이렇게 큰 달을 가졌을까요?

오늘의 수업

오늘의 학습 목표

가설 비교와 배제 — 네 가설을 각각의 결정적 문제로 검증 (1장)

간접 증거 해석 — 밀도·동위원소·휘발성 물질로 45억 년 전을 복원 (2장)

모형과 관측의 충돌 — 시뮬레이션과 실측이 어긋날 때 (4장)

조건적 사고 — 정면이 아니라 비스듬해야 했던 이유 (3장)

달은 어떻게 생겼나 — 테이아 충돌설과 그 증거

숫자로 보는 오늘

약 45억

년 전 충돌 추정 시기

화성 크기

충돌체 테이아의 추정 크기

3.34 g/cm³

달의 밀도 (지구 5.51)

연 3.8 cm

달이 멀어지는 속도

1. THREE HYPOTHESES

세 가지 후보와 탈락 과정

아폴로 계획 이전, 달의 기원에는 세 가지 설명이 경쟁하고 있었습니다.

2. WHAT APOLLO PROVED

아폴로가 가져온 결정적 증거

1969년부터 아폴로 계획이 달의 암석을 지구로 가져오면서 논쟁의 성격이 바뀝니다. 추측이 아니라 실물을 분석할 수 있게 된 것입니다.

3. THE IMPACT

충돌은 어떻게 진행됐나

테이아의 접근 — 태양계 형성 초기에는 원시 행성이 여럿 있었습니다. 그중 화성만 한 테이아가 원시 지구와 궤도를 공유하다 결국 충돌합니다.
비스듬한 충돌 — 정면이 아니라 비껴 맞았습니다. 정면 충돌이었다면 그냥 하나로 합쳐졌을 것입니다. 비스듬했기에 물질이 옆으로 튀어나가 궤도에 남았습니다.
맨틀이 떨어져 나간다 — 테이아의 철핵은 지구 핵과 합쳐지고, 튀어나간 것은 주로 양쪽의 맨틀 물질이었습니다. 달에 철이 적은 이유입니다.
파편 원반 — 지구 주위에 뜨거운 암석 증기와 파편의 원반이 생깁니다.
빠른 재응집 — 원반의 물질이 서로 뭉쳐 달이 됩니다. 계산에 따르면 수십 년에서 수백 년 정도의 놀랍도록 짧은 시간이 걸렸을 수 있습니다.

4. THE ISOTOPIC CRISIS

그런데 문제가 하나 남았다

컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 비스듬한 충돌에서 튀어나가 달이 되는 물질은 상당 부분이 테이아에서 온 것이어야 합니다.

테이아가 지구와 아주 가까운 곳에서 만들어져 애초에 조성이 비슷했다
충돌 에너지가 훨씬 커서 두 천체가 완전히 뒤섞였다 (도넛 모양의 고온 구조 시네스티아 모형)
충돌 후 원반과 지구 사이에 물질 교환이 활발해 조성이 균질화됐다
한 번의 대충돌이 아니라 여러 번의 작은 충돌이 쌓였다

5. WHY IT MATTERS

달이 지구에 해 준 일

달이 없었다면 지구는 지금과 상당히 달랐을 것입니다.

자전축 안정화 — 지구 자전축은 약 23.5° 기울어 있고, 이것이 계절을 만듭니다. 큰 달의 중력은 이 기울기가 크게 흔들리지 않도록 잡아 줍니다. 달이 없었다면 자전축이 훨씬 크게 요동쳐 기후가 극단적으로 변덕스러웠을 가능성이 제기됩니다.
조석 — 밀물과 썰물이 만드는 조간대는 생물이 육상으로 진출하는 무대가 됐습니다.
자전 감속 — 조석 마찰로 지구 자전이 느려지고 있습니다. 초기 지구의 하루는 대여섯 시간에 불과했을 것으로 봅니다(035에서 다룹니다).
멀어지는 달 — 아폴로가 남긴 반사경에 레이저를 쏘아 측정한 결과, 달은 매년 약 3.8 cm씩 멀어지고 있습니다. 과거의 달은 훨씬 크고 가깝게 보였습니다.

확인 문제 1 / 6

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달의 평균 밀도가 지구보다 훨씬 낮다는 사실이 알려주는 것은?

①달이 지구보다 나중에 만들어졌다
②달에는 큰 철핵이 없고 주로 맨틀 성분으로 이루어져 있다
③달에 물이 많다
④달이 지구보다 뜨겁다

정답 ② — 행성이 만들어질 때 무거운 철은 중심으로 가라앉습니다. 밀도가 낮다는 것은 철핵이 작다는 뜻이고, 달이 행성의 겉껍질 재료로 만들어졌음을 시사합니다.

확인 문제 2 / 6

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달 시료의 산소 동위원소 조성이 지구와 거의 같다는 사실이 결정적으로 무너뜨린 가설은?

①포획설
②분열설
③동시생성설
④거대충돌설

정답 ① — 동위원소비는 태양계 안에서 태어난 장소에 따라 다릅니다. 지구와 같다면 다른 곳에서 만들어져 붙잡혔다는 포획설은 성립하기 어렵습니다.

확인 문제 3 / 6

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테이아의 충돌이 '비스듬했다'고 보는 이유는?

①지구 자전축이 기울었기 때문
②정면 충돌이었다면 물질이 궤도로 튀지 않고 그대로 합쳐졌을 것이기 때문
③테이아가 작았기 때문
④달의 궤도가 원형이기 때문

정답 ② — 정면 충돌은 운동량이 중심을 향해 두 천체를 합치는 방향으로 작용합니다. 비스듬해야 물질이 옆으로 튀어 궤도에 남고, 그것이 뭉쳐 달이 됩니다.

확인 문제 4 / 6

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달 암석에 물·나트륨 같은 휘발성 물질이 적다는 사실이 시사하는 것은?

①달이 아주 차가운 곳에서 만들어졌다
②달의 재료가 한 번 극도로 뜨거워졌다가 식었다
③달에 대기가 있었다
④달이 얼음으로 되어 있다

정답 ② — 쉽게 증발하는 성분이 빠져나갔다는 것은 고온을 겪었다는 뜻입니다. 거대 충돌로 증발했다가 재응집한 시나리오와 맞습니다.

확인 문제 5 / 6

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'동위원소 위기'란 무엇인가?

①달의 나이를 측정할 수 없다는 문제
②시뮬레이션상 달은 테이아 물질이 많아야 하는데 실제 조성은 지구와 거의 같다는 모순
③달에 방사성 물질이 너무 많다는 문제
④지구의 동위원소가 계속 변한다는 문제

정답 ② — 모형의 예측과 실측이 어긋나는 상황입니다. 시네스티아 모형, 다중 충돌설 등 여러 해결 시도가 제안되어 있습니다.

확인 문제 6 / 6

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달이 지구에 미치는 영향으로 본문이 언급하지 않은 것은?

①자전축 기울기의 안정화
②조석 현상
③지구 자전 속도의 감속
④지구 자기장의 생성

정답 ④ — 지구 자기장은 외핵의 대류로 만들어집니다(006). 달과는 직접 관련이 없습니다.

마무리 확인

오늘의 정리 — 생각해보기

달 시료의 산소 동위원소가 지구와 같다는 사실은 포획설을 무너뜨렸지만, 동시에 거대충돌설에도 문제를 만들었습니다. 하나의 증거가 어떻게 한 가설은 죽이고 다른 가설은 곤란하게 만들 수 있을까요?

충돌이 정면이었다면 어떻게 됐을까요? 달이 생기지 않았을 것이라는 설명을, 운동량과 파편이 날아가는 방향으로 설명해 보세요.

달은 매년 3.8 cm씩 멀어지고 있습니다. 아주 먼 미래에 달이 훨씬 멀어진다면 지구에는 어떤 변화가 생길까요? 5장의 네 가지 역할을 하나씩 대입해 보세요.

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