거대충돌가설

아주 먼 옛날 태양계가 갓 만들어졌을 때는 수많은 행성 후보들이 궤도를 어지럽게 돌고 있었어요. 약 45억 년 전, 원시 지구의 궤도로 화성만 한 크기의 거대한 천체가 다가왔어요. 과학자들은 이 가상의 천체를 그리스 신화 속 달의 여신 셀레네의 어머니 이름을 따서 '테이아(Theia)'라고 불러요.

테이아는 지구를 향해 무서운 속도로 날아와 비스듬하게 부딪쳤어요. 이때 발생한 충돌 에너지는 상상을 초월할 정도로 엄청나서 테이아는 산산조각이 났고, 원시 지구의 표면도 마그마 바다가 될 만큼 완전히 녹아내렸어요.

충돌로 튕겨 나간 엄청난 양의 암석 파편과 증발한 가스는 지구 주위를 도는 거대한 원반 형태의 고리를 만들었어요. 토성의 고리처럼 지구를 맴돌던 파편들은 서로의 중력으로 빠르게 뭉치기 시작했고, 마침내 오늘날 밤하늘을 밝히는 달로 다시 태어났어요.

아폴로 우주선이 달에서 암석을 가져오기 전까지는 달이 어떻게 생겼는지 수수께끼였어요. 지나가던 달을 지구가 중력으로 붙잡았다는 포획설이나, 지구가 너무 빨리 돌아서 살점이 떨어져 나갔다는 분열설은 물리적 계산과 맞지 않았거든요.

그런데 달에서 가져온 암석을 정밀 분석해 보니 지구의 암석과 '산소 동위원소 비율'이 쌍둥이처럼 거의 같았어요. 산소 동위원소 비율은 태양계 천체마다 각기 다른 지문 같은 표식이라, 달과 지구가 아주 가까운 재료로 만들어졌음을 보여 줘요. 다만 기본적인 충돌 모형에서는 달이 주로 테이아의 물질로 만들어져야 해서, 이렇게까지 닮은 까닭은 지금도 연구가 이어지는 숙제예요.

동시에 달에는 무거운 쇠로 이루어진 중심 핵이 거의 없다는 사실도 밝혀졌어요. 거대충돌가설은 이 점을 잘 설명해요. 충돌 당시 무거운 철 성분은 가라앉아 지구의 핵과 합쳐졌고, 바깥쪽의 가벼운 암석 껍질 파편만 튕겨 나가 달을 이루었기 때문이에요.

만약 테이아가 지구를 정면으로 들이받았다면 대부분 지구와 한 덩어리로 합쳐져, 달을 만들 만큼의 파편이 궤도에 올라가지 못했을 거예요. 반대로 너무 살짝 스쳐 지나갔다면 파편이 우주 공간으로 멀리 날아가 버려 달을 만들지 못했겠죠. 테이아가 약 45도 각도로 지구를 비스듬히 때렸기 때문에 파편이 지구 궤도에 안전하게 머물 수 있었어요.

더 놀라운 점은 형성 속도예요. 파편이 뭉쳐 달이 되는 데는 우주의 시간으로 치면 찰나에 불과한 수개월에서 수백 년 안팎이 걸렸을 것으로 계산돼요. 2022년의 한 시뮬레이션은 충돌 직후 단 몇 시간 만에 달의 원형이 생겼을 수도 있다는 결과를 내놓기도 했어요.

이 엄청난 충돌은 지금 지구 생명체의 운명도 바꾸어 놓았어요. 이 충돌은 지구 자전축이 기울어진 원인 가운데 하나로 거론되고, 그 뒤로 달의 중력이 기울기를 비교적 안정되게 붙잡아 준 덕분에 사계절이 규칙적으로 되풀이된다고 설명해요.