거대충돌 가설

거대충돌 가설 또는 빅 스플래시는 달의 생성을 설명해 주는 과학적 가설들 중 현재 가장 널리 받아들여지고 있는 것으로, 젊은 지구와 화성 정도 질량의 '테이아' 또는 '오르페우스', '헤파에스투스'라고 불리는 물체가 충돌하여 달이 생겨났다는 것이다.^[1] 테이아는 그리스 신화에 등장하는, 달의 여신 셀레네를 낳은 거신족 티탄의 이름이다. 이 가설은 1974년 위성에 관한 학술 회의에서 최초로 제기되었으며 이후 1975년 윌리엄 케니스 하트먼과 도널드 R. 데이비스가 이카루스에 이를 게재하였다.

빅 스플래시 가설의 개념도. 남극에서 바라본 모습.

지구의 L₅점에서 테이아가 생겨난 뒤 지구로 끌려 와 부딪히는 과정을 애니메이션으로 나타낸 것. 애니메이션의 재생 단위는 1년으로, 지구는 매년 같은 시각에 같은 자리에 돌아와 있으므로 움직이지 않는 것처럼 표현되어 있다. 남극에서 바라본 모습.

기원

한 가지 가설로, 테이아는 지구와 같은 궤도를 공유하면서, 지구에서 60도 전후 위치의 라그랑주 점에서 생겨났다는 것이 있다.^[2] 원시 행성 테이아가 화성 정도 질량까지 자라나면서 더 이상 라그랑주 점에 안정적으로 존재할 수 없게 되었다. 그 결과 지구와 테이아의 각거리는 요동치면서 변하기 시작하였고, 테이아는 지구에 점차 접근하다가 끝내 충돌하게 되었다. 이 충돌 사건은 약 45억 3천 3백만 년 전에 일어난 것으로 보인다. 테이아는 지구에 비스듬한 각도로 부딪혔고, 테이아 본체는 산산조각났으며, 테이아의 맨틀 대부분 및 지구 맨틀 상당량은 우주 공간으로 분출되었다. 테이아의 중심핵은 지구 중심핵으로 가라앉았다. 컴퓨터 시뮬레이션에 의하면 우주 공간으로 분출되어 지구 주위에 고리를 형성한 물질들은 테이아 질량의 2퍼센트 수준이었으며, 이 중 절반 정도가 100년의 기간에 걸쳐 뭉쳐 현재의 달을 형성했다고 한다. 충돌 이전 지구의 자전 및 황도경사각이 어느 정도였는지를 고려하지 않을 경우, 충돌의 여파로 지구의 자전 주기는 5시간으로 빨라졌으며 지구의 적도는 달의 궤도와 거의 일치할 정도로 기울기가 바뀌었다.

증거

천문학자들은 아폴로 달착륙 임무 중 수집한, 지구의 그것과 거의 비슷한 산소 동위 원소를 보여주는 월석을 거대충돌의 간접적 증거로 보고 있다. 달 지각의 조성물 중 회장암 및 크리프와 같은 광물이 풍부하다는 사실을 통해 달의 상당량이 한때 녹았으며, 충돌로 인한 거대한 에너지는 마그마 바다를 만들기에 충분했을 것이다. 여러 증거를 통해 달에 철의 핵이 존재한다면 그 크기는 작을 것임을 추측할 수 있다. 특히 평균 밀도, 관성 모멘트, 자전의 특성, 자기장 발생 반응을 통해 달의 중심핵 크기가 전체 지름의 25퍼센트에 불과함을 알 수 있다.(다른 지구형 암석 천체들의 경우 핵의 크기는 전체 지름의 50퍼센트에 이른다) 이론상의 충돌 조건에 의하면 지구 맨틀 및 테이아의 물질로부터 달이 생겨났고 테이아의 핵이 지구 중심핵으로 가라앉았음을 설명할 수 있으며, 지구-달 행성계의 각운동량 제약조건도 만족하게 된다.^[3]

플레이아데스 성단에 있는 젊은 별 HD 23514 주변 0.25 ~ 2 천문단위에 걸쳐 있는 따뜻한 먼지 원반은 원시 지구에 테이아가 부딪혔을 때의 결과를 예상한 값과 비슷하게 보인다. 이 먼지 원반은 행성급 천체들이 서로 부딪혀서 생겨난 결과물로 추정된다.^[4] 이는 다른 별 BD +20도307(HIP 8920, SAO 75016) 주위에서 발견된 따뜻한 원반과도 비슷하다.^[5]

풀리지 않은 쟁점들

그럼에도 불구하고, 거대충돌 가설에는 아직까지 풀리지 않은 쟁점들이 존재한다. 아래 목록은 구체적인 논쟁거리들이다.

• 달에 있는 휘발성 원소들의 비율이 거대충돌 가설과 일치하지 않는다.^[6]
• 지구가 용암의 바다로 덮여 있었다는 증거가 없다. 테이아 정도 질량의 천체가 부딪혔을 경우 지구 표면은 녹아내려 용암 바다로 덮였어야 하는데, 지구 표면에서 발견되는 몇몇 물질들에는 용암 바다 속에서 절대로 살아남을 수 없는 것들이 존재한다.^[6]
• 달의 구성 물질 중 산화 철의 함량이 13퍼센트임을 고려하면, 지구의 맨틀 물질로 달이 만들어졌을 가능성은 거의 없다.^[7]
• 만약 달로 뭉쳐진 덩어리들이 충돌로 튀어나온 물질들이라면, 현재 달에는 친철 원소가 풍부해야 하지만, 실제 달에는 상기 성분이 결핍되어 있다.^[8]

같이 보기

• 달
• 달의 지질학
• 지질학
• 크리프
• 로슈 한계
• 지구의 역사