달은 어떻게 해서 생겼을까

달은 지구의 유일한 위성이며, 지구와 가장 가까운 천체이다. 달의 기원을 둘러싸고 지금까지 네 가지 가설에 제기되었다. 화성 정도 크기의 미행성이 지구에 충돌하여 흩날린 파편이 다시 모여 달을 형성했다는 가설을 자이언트임팩트설이라고 한다. 달이 과연 어떻게 생겼는지를 두고 네 가지 설이 있다. 원심력에 의해 달이 지구에서 떨어져 나갔다는 분리설, 원시태양계 성운에서 지구가 형성될 때 지구 주위에 있던 미행성이 모여 달이 되었다는 형제설, 태양계의 어딘가 다른 장소에서 생긴 천체가 우연히 지구의 중력권에 들어왔다는 포획설, 원시지구에 화성 크기의 미행성이 충돌하여 흩날린 파편들이 모여 달을 형성했다는 자이언트임팩트설이다. 이처럼 많은 설이 존재하는 이유는 지구와 달의 계가 다른 행성에 없는 특이한 역학적 성질을 가지고 있기 때문이다. 지구 주위를 달이 공전하고 있는 것 자체가 특이할 뿐만 아니라 수성과 금성에는 위성 자체가 없고, 화성의 위성인 포보스와 데이모스는 지름이 20킬로미터도 안 되는 소행성이다. 옛날에 지구는 지금보다 자전 속도가 훨씬 빨랐으며, 달은 지금보다 더 지구와 가까웠으며, 조석마찰에 의해 달이 조금씩 지구에서 멀어졌다는 것으로 미루어 분리설이 18세기에 제기되었다. 이러한 주장을 한 과학자는 '종의 기원'을 발표한 찰스 다윈의 아들 조지 다윈이다. 1960년대 들어 궤도의 진화를 기술하는 방정식을 컴퓨터를 사용해 수치 시뮬레이션으로 해석할 수 있게 됐다. 달이 가진 궤도의 특징으로는 달의 공전면이 지구의 적도면에 대해 5.9도나 기울어 있는 것을 꼽을 수 있다. 달의 궤도는 조석마찰에 의해 서서히 변화해왔으므로 궤도를 역산하면 지구가 형성되었을 무렵에 달이 어떤 궤도운동을 했는지를 계산으로 구할 수 있다. 그런 연구 결과 지구에 가까이 있었을 때 달은 역행을 했다는 사실이 밝혀졌다. 과거에 달이 반대 방향으로 공전했다면, 달은 우연히 가까이 통과한 천체로서 지구 중력권에 포획되었다는 포획설이 유력해진다. 1970년대 들어 지구 형성 과정을 두고 미행성설이 주목을 받으면서, 달도 지구와 마찬가지로 미행성의 집적으로 형성되었다는 모델이 제시되었다. 1980년대 들어 달의 궤도 요소의 특징뿐만 아니라 달 암석에 친철원소나 휘발성 원소가 고갈되어 있는 점, 달과 지구의 각운동량이 다른 행성에 비해 이상하게 큰 점 등으로 미루어 화성 정도의 크기를 가진 미행성이 주기에 충돌하여 흩날린 파편이 모여 달을 형성했을 것이라는 자이언트 임팩트설이 주목을 끌었다. 이 설은 달과 지구계의 역학적 특이성뿐만 아니라 산소 동위원소비가 지구의 맨틀과 같은 점, 달의 비중은 3.34이며, 중심에 금속의 핵이 없든지, 있다고 하더라고 아주 작은 점 등 지구화학적 성질도 설명할 수 있어 유력한 가설로 받아들여 진다. 태양계 형성론에 따르면 지구 대기의 성립도 미행성의 집적과 깊은 관련이 있다. 미행성 충돌로 휘발성 물질의 가스가 지구 내부에서 나오고 그것이 대기가 되어 원시지구를 감싼 것이다. 일본 교토 대학 연구 그룹이 제창한 태양계 형성론에 따르면, 미행성의 집적으로 형성된 원시지구는 두꺼운 대기가 에워싸고 있었다. 그 대기는 원시태양계 성운과 조성이 같으며 수소나 헬륨이 주성분이었다고 한다. 이런 원시태양계 성운에서 유래한 대기를 일차 대기라고 한다. 현재 지구 대기의 주성분은 질소와 산소지만, 초기 지구로 거슬러 올라가면 수증기나 이산화탄소도 상당량 포함되어 있었을 것으로 생각된다. 이러한 대기는 지구 내부에서 화산가스로 서서히 방출 된 것이라고 하며, 이차 대기라 부른다. 교토 대학 연구 그룹의 설에서는 일차 대기는 원시지구가 형성된 후 어떤 이유에서 흩어져 없어지면서 지구 내부에서 나온 이차 대기와 치환할 필요가 있다. 탄생한지 얼마 되지 않은 항성에는 T타우리(Tauri) 단계라는 태양풍이 강한 시기가 있으며, 강한 태양풍으로 일차 대기가 흩날린 것이 아닐까 하는 설이 있다. 한편 사프로노프 등이 제창한 태양계 형성론에서는 원시태양계 성운에 포함된 수소나 헬륨 등의 휘발성 물질이 미행성 집적 단계에서 흩어져 버렸으리라 가정한다. 이 설에서도 역시 T타우리 단계의 강한 태양풍을 그 원인으로 지목한다. 결국 두 설의 차이는 태양이 T타우리 단계에 접어들었을 때 행성계가 형성되었는지 아닌지 하는 데 있다. 현재의 지구 대기가 지구 형성기에 내부에 갇힌 휘발성 물질의 가스가 방출돼 형성되었음을 보여주는 증거로 대기 중 희유기체의 존재도가 있다. 희유기체는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 등의 원소로 이루어지며, 이온화하여 다른 원소와 결합하지 않으므로 비활성기체라고도 한다. 희유기체의 존재도를 보면 규소에 비해 현저하게 부족하며 게다가 질량수가 적은 원소일수록 부족한 경향이 있다. 1980년대가 되자 지구의 이차 대기는 원시지구가 성장하는 단계에서 형성됐을 것으로 생각했다. 지구가 성장하면서 미행성의 충돌 속도가 커지고, 충돌 지점의 암석이 충격 압력에 의해 고온 고압 상태가 되어 휘발성 물질이 빠져나와 대기로 축적되기에 이르렀다는 것이다. 캘리포니아 공과대학의 토머스 아렌스 연구 그룹은 이런 견해를 뒷받침하기 위해 열정적으로 실험에 임했다. 다양한 암석 충돌 실험 결과에 따르면, 충돌에 의해 내부의 가스가 방출되려면 천체의 충돌 속도가 초속 1킬로미터를 넘어야 한다. 즉 원시지구의 크기가 2000킬로미터 정도 되면 충돌에 의해 내부 가스가 방출돼 그것이 대기를 이루어 원시지구를 감싸게 된다. 미행성의 충돌로 방출된 휘발성 가스의 분자는 원시대기로 서서히 축적된다. 그러면 원시대기는 지구 표면에서 우주로 달아다는 적외선 복사를 흡수하며, 보온 효과로 인해 지표 온도가 올라간다. 마침내 충돌로 발생한 열이 원시대기에 자욱해지고 지표의 온도는 암석의 녹는점을 넘어 마그마의 바다가 형성되기에 이른다. 원시대기의 양은 규산염 마그마와 평형상태를 이루며, 약 100 기압에 이른다는 계산이 나와 있다. 이 대기 성분은 마그마의 바다와 화학평형을 이룬다. 맨틀 안에 금속 철이 존재하는 경우에는 수소, 일산화탄소, 메탄이 주성분이 되지만, 금속질 핵과 규산염 맨틀의 분화가 충분히 진행되고 있다면 이산화탄소, 물, 질소 등의 분자가 주성분이 된다. 현재의 금성이나 화성 대기의 주요 성분이 이산화탄소인 점을 고려하면 전자와 같은 조성을 띤 원시대기가 갓 생긴 지구를 뒤덮고 있었을 것이다.