달은 행성 충돌 몇 시간 만에 형성됐다?

지구 위성인 달 성립에 대해선 여러 가설이 있지만 그 중에서도 46억 년 전 화성과 거의 크기가 같은 테이아(Theia)라는 천체가 지구에 충돌해 파펀이 달이 됐다는 자이언트 임팩트설이 유력하게 여겨진다. 새롭게 영국 더럼대학, 글래스고대학, 미항공우주국 나사(NASA) 에임스연구센터로 이뤄진 연구팀이 슈퍼컴퓨터를 이용해 자이언트 임팩트설을 시뮬레이션한 결과 달은 행성 충돌 불과 몇 시간 만에 형성됐다고 제안하고 있다.

사실 자이언트 임팩트설 안에도 여러 패턴이 있고 달이 어떻게 형성되어 갔는지에 대해선 논의 여지가 있다. 지구에 충돌한 테이아가 수백만 개 파편과 지구에서 기화한 암석, 가스가 섞여 천천히 지구를 도는 원반이 형성되어 수백만 년에 걸쳐 냉각되면서 달이 됐다는 가설에선 대라 대부분이 테이아 유래 물질임에도 동위원소 조성이 지구와 비슷하다는 설명이 없다. 또 달은 테이아 충돌에 의해 지구로부터 기화한 물질로 이뤄지는 원반 속에서 형성됐다는 가설에선 현재 달 궤도를 설명하기 어렵다고 한다.

연구팀은 대량 물질에 작용하는 중력과 유체역학적인 힘을 시뮬레이션하는 SWIFT(SPH With Inter-dependent Fine-grained Tasking) 컴퓨터 프로그램에 눈을 돌려 더럼대학 우주연구용 슈퍼컴퓨터인 COSMA를 이용한 시뮬레이션을 실시했다.

연구팀은 COSMA를 이용해 다양한 각도, 회전, 속도로 지구와 테이아 충돌을 시뮬레이션했다. 일반 컴퓨터에선 모델화할 수 있는 입자 수가 10만∼100만 개 정도지만 COSMA를 이용하면 입자 1억 개를 모델화할 수 있다고 한다.

COSMA를 이용한 고해상도 시뮬레이션을 통해 연구팀은 행성 충돌로 방출된 지구 물질과 분쇄된 테이아 파편으로부터 단 몇 시간 만에 달이 형성됐을 가능성이 있다고 결론지었다. 천체 2개가 충돌해 대량 파편이 나뉘지만 지구 쪽은 곧바로 형태를 되찾고 지구에서 멀고 작은 쪽은 흡수되지 않으며 남아 이게 달이 됐다는 것이다.

이 시뮬레이션은 달이 몇 시간 만에 형성됐을 가능성을 보여줬다. 이 시나리오에선 달 외층은 60%가 원시 지구 유래 재료로 이뤄져 있으며 채취된 달 샘플과 지구 동위원소 조성이 비슷하다는 설명이 되는 것 외에 기울어진 달 궤도에 대해서도 설명이 된다고 한다.

이 시나리오가 옳다는 걸 증명하려면 미래 달 탐사에서 달 깊은 곳에서 암석 등 샘플을 채취해 맨틀 혼합 상태 등에 대해 분석해야 한다. 연구팀은 앞으로 더 많은 달 샘플을 입수하면 해당 분석 결과를 모델에 반영해 더 정밀도를 높일 수 있다고 밝히고 있다. 이런 연구는 달과 지구 실제 역사에 대한 잠재력을 좁혀 태양계 내외 행성 형성에 대한 이해를 높이는데 도움이 될 수 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.