지구의 유일한 위성 `달`

손경근 | 2011.06.30 | 조회 8077



 






- 지구를 돌고있는 유일한 자연 위성 ‘달’






2011년 6월 16일, 밤하늘에서는 장관이 펼쳐졌다. 바로 이 지구 그림자에 가려지는 개기월식이었다. 신비로운 달의 그림자가 밤하늘에 모습을 드러냈고, 전 세계인이 환호했다. 더구나 이번 월식은 11년 만에 가장 긴 개기월식으로 화제가 되기도 했다. 개기월식의 주인공, 달. 지구 주변을 돌고 있는 단 하나의 위성, 달은 어떻게 생겼으며 또 무엇으로 이루어져 있을까?











달의 기원




지구의 위성인 달은 그 형성에 대해 많은 설이 있다. 그 중 대표적인 네 가지는 분열모델(Fission Model) 또는 딸모델(Daughter Model), 동반형성모델(Co-creation Model) 또는 자매모델(Sister Model), 포획모델(Captured Model) 그리고 충돌모델(Collision Model)이다.







분열모델 또는 딸 모델이라 불리는 이 설은 과거 지구의 자전 속도가 지금보다 빠를 때 일부분이 떨어져 나간 것이라는 설이다. 이 설은 달이 지구의 적도평면과 달리 황도와 가깝다는 오류가 있고, 또한 암석표본도 지구의 암석과 구성성분이 다르다는 것을 설명하지 못한다. 두 번째로 동반형성모델 또는 자매모델이라 불리는 이 설은 처음 지구가 생길 때 달이 동시에 같이 생겼다는 설이다. 이 가설 또한 달의 암석샘플의 구성성분이 지구와 다르다는 것을 설명하지 못한다.




세 번째 포획모델이라는 설은 지구와 다른 장소에서 형성되어 떠돌다가 지구의 중력에 붙잡혀 위성이 되었다는 설이다. 하지만 이 설 또한 몇 가지의 문제점을 가지고 있다. 지구와 달의 구성성분이 다른 장소에서 만들어졌다기에는 너무나 유사하다는 것이다. 그리고 달은 포획하기에 상당히 큰 천체이므로 지구만으로는 지금의 시스템을 설명하기 힘들다. 하지만 이 설은 태양계 내 다른 행성 주변을 도는 위성의 존재를 설명하는 데는 매우 타당성이 있는 가설이다.












마지막 네 번째 충돌모델은 현재 가장 타당성이 있는 설로 알려졌다. 이것은 지구가 최초에 형성될 때 현재 화성 질량의 2배 정도 되는 천체와 지구가 충돌하였고, 이때 지구의 일부분이 떨어져 나가 현재 달이 되었다는 설이다. 이 모델에 따르면, 충돌하기 이전에 지구는 이미 철과 같은 무거운 원소들이 내부로 가라앉았기 때문에 달에는 철의 함유량이 적다. 그리고 충돌할 때의 고열 때문에 지구 지각의 휘발성 물질은 대부분 증발하여 달에는 휘발성 물질이 적다고 설명할 수 있다. 따라서 이 모델은 이전 세 종류의 설들이 가지고 있던 문제점들을 해결할 수 있을 것으로 여겨지며, 그리고 발표 이후 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 타당성도 입증되었다.










달은 무엇으로 이루어져 있을까?






달은 지표면에서의 중력이 매우 약하기 때문에 대기를 유지할 수 없었다. 따라서 현재 달에는 대기가 거의 없고, 태양풍만으로도 달 내부에서 나온 미소량의 가스를 충분히 날릴 수 있을 정도이다. 달은 수성과 같이 대기가 거의 없기 때문에 온도의 변화가 약 100K~400K로 아주 크다.




달의 겉보기 지형은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 이는 빛을 제대로 반사하지 못해 어두운 부분인 바다 부분과 밝은 대륙 부분이다. 바다부분은 달의 약 35%를 차지하며, 대륙 부분에 비해 상대적으로 구덩이의 수가 적고, 현무암질의 용암이 흘러나와 구덩이를 메워 생긴 것으로 알려져 있다. 바다 부분 이외의 대륙부분은 작은 돌들이 모인 암석으로 구성되어있다. 이것은 태양계 초기부터 남은 왜소행성의 충돌에 의해 생겨난 것으로 알려져 있다. 그리고 달에는 대기가 거의 존재하지 않기 때문에 운석이 그대로 월면에 충돌하여 크레이터를 만들고, 또한 물이나 바람에 의한 침식과 지각변동을 받는 일도 없기 때문에 수많은 크레이터가 만들어진 채 그대로 남아 있는 것이다. 이러한 대륙부분은 주로 칼슘과 알루미늄이 많이 함유되어 있는 사정석으로 이루어져 상대적으로 밝아 보인다.











또한, 달의 표면은 모래(레골리스, regolith)로 덮여있다. 레골리스는 운석 등에 의해 잘게 부서진 돌이 쌓인 것을 말하며, 달의 표면의 거의 전체를 수십cm에서 수십m의 두께로 덮고 있다. 그 분자는 매우 미세하여 우주복이나 정밀기기 등에 침투하기 쉬워 문제를 일으키지만, 한편으로 레골리스의 약 절반이 산소로 구성되어 있어 산소의 공급원이나 건축 재료로써 기대를 받고 있다.




2009년 9월 무인 달 탐사선 찬드라얀 1호(Chandrayaan-1) 및 토성탐사선 카시니(Cassini)와 혜성탐사선 딥 임팩트(Deep Impact), 세 탐사선에 의해 달에 물 혹은 물의 기원인 수산기(히드록시기, hydroxyl group)가 존재한다는 것이 확인되었다고 발표했다. 확인된 물 혹은 수산기는 태양풍에 의해 운반된 수소이온이 월면에 있는 산소를 포함한 광물이나 유리질 물질에 충돌하여 생겨난 것으로 보이며 추출하여 수소와 결합하면 물을 만들어낼 수 있다고 보고 있다.




그리고 2009년 10월 9일 미국항공우주국(NASA)의 달 탐사선 엘크로스가 달의 남극 부근에 있는 카베우스 크레이터에 충돌했다. 충돌에 의해 섬광과 분출물을 관측하는 것으로 물의 존재에 관한 증거를 얻었고, 그리고 10월 24일 일본우주항공연구개발기관(JAXA)은 달 탐사선 카구야가 촬영한 영상의 분석으로 달의 앞면에 있는 평지 '폭풍의 바다'에 월면 최초로 지하용암터널로 통하는 수직 구멍을 발견했다고 발표했다. 이번에 발견된 구멍은 '폭풍의 바다'에서 화산활동이 있었다고 여겨지는 지점에 존재하고 있고 직경 약 70m, 깊이 약 90m 구멍으로, 구멍 밑 부분에는 적어도 가로 400m, 동굴 높이 20m를 넘는 터널이 있다고 한다. 일본우주항공연구개발기관은 이번 발견으로 유인탐사에 있어서 천연기지로서 달의 활용 가능성이 더욱 커진 것으로 판단하고 있다.




달의 내부구조는 달의 지진을 통하여 파악하게 되었다. 달의 지진 중 대부분은 지구의 중력으로 인해 발생한 조석력에 의한 것이었고, 이로 인해 달에는 지각과 고체 암석권, 유동성 암류권, 그리고 철로 이루어진 것으로 추정되는 핵이 존재하는 것이 밝혀졌다. 달의 표면을 살펴보면 대부분의 바다 부분이 지구 방향으로 생성되어 있다는 점을 알 수 있다. 지구 쪽의 달 표면의 지각이 얇기 때문에 운석과 같은 천체들과의 충돌로 인해 내부의 용암이 흘러나오는 가능성을 높이게 되었고, 그렇기 때문에 바다 부분이 많이 생성된 것이다. 지구 방향의 지각이 얇은 이유는 조석력에 의해 달 내부의 상대적으로 무거운 물질이 지구를 향하게 된 것으로 추측하고 있다.







달의 운동




달은 자전주기와 공전주기가 같아서(약 27.3일) 지구에서는 달의 한쪽 면만 볼 수 있고, 뒷면은 1959년 10월에 루나(Luna) 3호가 최초로 촬영하기 전까지 볼 수가 없었다. 달은 지구와 달리 전체적인 자기장이 관측이 되지 않는다. 이것은 달의 크기가 애초에 작아서 지구보다 빨리 식었기 때문이라고 알려진다. 달에서 가져온 암석을 분석하거나 인공위성으로 측정한 국지적인 자기를 고려한다면, 달에도 전체적인 자기장이 있었을 것이라 추측하고 있으나 현재는 관측되지 않고 있다.









식이란 어떤 천체가 다른 천체의 움직임에 의해 가려지는 천문현상이다. 일식은 달에 의해 태양이 가려지는 현상을 말한다. 그리고 월식은 지구의 그림자에 달이 들어가 달이 가려지는 현상을 말한다. 일식이 일어나기 위해서는 달의 크기가 태양보다 크거나 비슷해야 한다. 하지만 달은 태양보다 훨씬 가까운 곳에 위치하기 때문에 태양과 시직경이 비슷하여, 태양보다 달이 아주 작음에도 불구하고 식이 일어날 수 있는 것이다.





일식은 달의 궤도가 황도에 충분히 가까워져야 일어난다. 따라서 달이 태양의 중심을 비켜지나갈 때 ‘부분일식’이 일어난다. 달이 태양의 중심을 가로지를 때는 ‘개기일식’이 일어난다. 월식의 경우에도 ‘부분월식’과 ‘개기월식’이 모두 일어날 수 있다.











달의 위상 변화











매일 밤하늘을 바라보면 달의 모습이 대략 한 달을 주기로 변화하는 것을 볼 수 있다. 이를 달의 위상 변화라 하며, 달의 공전에 의해 달 표면 중 밝은 부분이 변화하는 모습이다. 달 표면의 밝은 부분의 모양은 지구에서 본 달과 태양의 각도에 의해 결정된다.










- 글 한국천문연구원 / 


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