거대충돌 가설

3. 테이아 (Theia)

가설상 행성인 테이아의 이름은 그리스 신화 속 티탄족인 테이아(Theia|테이아^영어)에서 유래되었다. 테이아는 달의 여신 셀레네의 어머니이다. 이 명칭은 영국의 지구화학자 알렉스 N. 할리데이가 2000년에 처음 제안했고, 과학계에서 받아들여졌다. 현대 행성 형성 이론에 따르면, 테이아는 45억 년 전 태양계에 존재했던 화성 크기의 천체 집단의 일원이었다. 거대 충돌 가설의 매력적인 특징 중 하나는 달과 지구의 형성이 일치한다는 점이다. 지구는 형성 과정에서 행성 크기의 천체들과 여러 번 충돌을 겪은 것으로 추정된다. 달을 형성한 충돌은 이러한 "거대 충돌" 중 하나였지만, 가장 중요한 마지막 충돌 사건이었다. 후기 대폭격은 이보다 늦은 약 39억 년 전에 발생했을 것으로 추정된다.

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프린스턴 대학교의 수학자 에드워드 벨브루노와 천체물리학자 J. 리처드 고트 3세는 2004년에 테이아가 지구에 대해 L4 또는 L5 라그랑주 점(지구와 같은 궤도에서 약 60° 앞이나 뒤)에서 뭉쳐졌을 것이라고 제안했다. 이는 트로얀 소행성과 유사하다. 2차원 컴퓨터 모델은 테이아의 제안된 트로얀 궤도 안정성이 지구 질량의 약 10%(화성 질량) 임계값을 넘어서면 영향을 받았을 것이라고 시사한다. 이 시나리오에서 미행성체에 의한 중력 섭동은 테이아가 안정적인 라그랑주 위치에서 벗어나게 했고, 이후 원시 지구와의 상호 작용은 두 천체 간의 충돌로 이어졌다.

2008년에는 충돌이 기존에 받아들여지던 45.3 기가년보다 늦은 44.8 Gya 경에 발생했을 수 있다는 증거가 제시되었다. 2014년 지구 맨틀의 원소 풍부도 측정과 컴퓨터 시뮬레이션을 비교한 결과, 충돌은 태양계 형성 후 약 95 My에 발생한 것으로 나타났다.

충돌로 인해 다른 중요한 천체들이 생성되었을 수 있으며, 이들은 라그랑주 점에 갇혀 지구와 달 사이의 궤도에 남아 있었을 수 있다. 이러한 천체들은 다른 행성들의 중력에 의해 시스템이 불안정해져 천체들이 풀려나기 전까지 1억 년 동안 지구-달 시스템 내에 머물렀을 수 있다. 2011년에 발표된 연구는 달과 이 작은 천체 중 하나 간의 후속 충돌이 달의 두 반구 사이의 물리적 특성에서 현저한 차이를 야기했다고 제안했다. 시뮬레이션에 따르면 이 충돌은 크레이터를 형성하지 않을 정도로 충분히 낮은 속도로 발생했으며, 대신 작은 천체의 물질이 달(달의 뒷면)에 퍼져 두꺼운 고지 지각을 추가했을 것이다. 결과적인 질량 불규칙성은 이후 달의 조석 고정을 생성하여 오늘날 지구에서는 달의 앞면만 볼 수 있게 되었다. 그러나 GRAIL 임무에 의한 지도는 이 시나리오를 배제했다.

뮌스터 대학교 연구팀은 2019년에 지구의 원시 맨틀에 있는 몰리브덴 동위원소 조성이 태양계 외곽에서 기원하며, 이는 지구의 물의 기원을 암시한다고 보고했다. 한 가지 가능한 설명은 테이아가 태양계 외곽에서 기원했다는 것이다.^[32]

4. 충돌 모델

테이아는 약 45억 3천 3백만 년 전, 태양계 형성 초기 단계에서 지구와 비스듬한 각도로 충돌한 것으로 추정된다.^[47] 이 충돌로 테이아는 파괴되었고, 테이아와 지구의 맨틀 상당량이 우주 공간으로 분출되었다. 테이아의 중심핵은 지구 중심핵으로 가라앉았다.^[47] 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 우주 공간으로 분출된 물질 중 테이아 질량의 약 2%가 지구 주위에 고리를 형성했으며, 이 중 절반 정도가 100년 동안 뭉쳐져 달을 형성했다고 한다.^[47] 충돌 결과, 지구의 자전 주기는 5시간으로 빨라지고 지구의 적도는 달의 궤도와 거의 일치할 정도로 기울기가 바뀌었다.^[47]

5. 증거

아폴로 달 착륙 임무 중 수집된 월석은 지구와 거의 비슷한 산소 동위 원소 조성을 보여주는데, 이는 거대충돌 가설의 간접적인 증거로 여겨진다. 달 지각에 회장암 및 크리프 같은 광물이 풍부하다는 것은 달의 상당 부분이 한때 녹아 있었음을 의미하며, 충돌로 인한 거대한 에너지가 마그마 바다를 형성하기에 충분했을 것이다. 여러 증거를 통해 달에 철 핵이 존재한다면 그 크기는 작을 것이라는 추측이 가능하다. 특히 평균 밀도, 관성 모멘트, 자전 특성, 자기장 발생 반응을 통해 달의 중심핵 크기가 전체 지름의 25%에 불과하다는 것을 알 수 있다(다른 지구형 암석 천체들의 경우 핵의 크기는 전체 지름의 50%에 이른다). 이론상의 충돌 조건에 의하면 지구 맨틀 및 테이아의 물질로부터 달이 생겨났고 테이아의 핵이 지구 중심핵으로 가라앉았음을 설명할 수 있으며, 지구-달 행성계의 각운동량 제약 조건도 만족하게 된다.^[48]

플레이아데스 성단에 있는 젊은 별 HD 23514 주변의 따뜻한 먼지 원반은 원시 지구에 테이아가 충돌했을 때의 결과와 비슷하게 보인다. 이 먼지 원반은 행성급 천체들이 서로 부딪혀 생겨난 결과물로 추정된다.^[49] 이는 다른 별 BD +20도307 주위에서 발견된 따뜻한 원반과도 유사하다.^[50]

1984년 하와이, 코나에서 열린 달 기원에 대한 회의에서 거대 충돌 가설이 가장 유력한 가설로 부상했다.

2001년, 카네기 과학 연구소의 한 연구팀은 아폴로 계획에서 채취한 암석이 지구의 암석과 동일한 동위원소 서명을 가지고 있으며, 태양계의 거의 모든 다른 천체와는 다르다고 보고했다. 2014년, 독일의 한 연구팀은 아폴로 샘플이 지구 암석과 약간 다른 동위원소 서명을 가지고 있다고 보고했다.^[14] 그 차이는 미미했지만, 통계적으로 유의미했다. 한 가지 가능한 설명은 테이아가 지구 근처에서 형성되었다는 것이다.^[15]

달 샘플의 아연 동위원소 조성을 지구 및 화성 암석의 조성과 비교하면 충돌 가설에 대한 추가 증거를 얻을 수 있다.^[22] 아연은 행성 암석에서 휘발될 때 강하게 동위원소 분별되지만,^[23][24] 일반적인 화성암 과정에서는 그렇지 않다.^[25] 따라서 아연의 풍부도와 동위원소 조성은 두 지질학적 과정을 구별할 수 있다. 달 암석은 이에 상응하는 화성암 지구 또는 화성 암석보다 아연의 무거운 동위원소를 더 많이 함유하고 있으며 전체적으로 아연이 적은데, 이는 거대 충돌 기원으로 예상되는 것처럼 증발을 통해 달에서 아연이 고갈된 것과 일치한다.^[22]

스피처 우주 망원경은 근처의 젊은 별 HD 172555 주변에서 암석질 천체 간의 고속 충돌로 생성된 따뜻한 규소질 먼지와 풍부한 SiO 가스를 감지했다.^[2]

2023년 11월 1일, 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 테이아의 잔해가 지구 맨틀의 거대한 이상 현상으로 지구 내부에 여전히 보일 수 있다고 보고했다.^[27][28]

화학적 조사를 통해 채취된 암석에는 휘발성 물질이나 경원소가 거의 포함되어 있지 않다는 것이 밝혀졌고, 이는 극단적인 고온 상태에서 형성되었다는 결론으로 이어졌다. 달 표면에 설치된 지진계(월진계)로부터 니켈이나 철로 이루어진 핵의 크기가 측정된 결과, 지구와 달이 동시에 형성되었다고 생각했을 때 예측되는 크기에 비해 실제 핵의 크기가 매우 작다는 것이 판명되었다. 핵이 작다는 것은 충돌로 인해 달이 형성되었다는 설의 예측과 일치한다. 거대 충돌 직후에는 지구 전체가 고온이 되어 마그마 바다(마그마 오션)가 형성되었다고 생각되며, 충돌한 천체의 핵은 녹은 지구의 심부로 가라앉아 지구의 핵과 합체했다고 여겨진다.

달이 존재한다는 사실 외에 이 사건의 주요 흔적은 지구 표면 전체를 덮을 정도로 밝은 색의 무색 광물이나 중간적인 암석 유형을 충분히 가지고 있지 않다는 것이다. 이 때문에 지구에는 무색 광물에 풍부한 화강암 등의 암석으로 이루어진 대륙과, 대륙보다 어두운 색으로 더 금속에 풍부한 유색 광물에 속하는 현무암 등의 암석으로 이루어진 바다라는 웅덩이가 존재한다. 이러한 구성의 차이 외에도, 물의 존재가 지구에 광범위한 활발한 판 구조론을 존재하게 했다. 게다가 지구의 자전축 기울기와 초기 자전 속도 역시 이른바 거대 충돌에 의해 결정되었다고 여겨진다.

거대 충돌과 같은 사건이 발생했을 때 정말로 달과 같은 천체가 생기는지는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증되고 있다. 거대 충돌의 계산은 중력 다체 문제라고 불리는 계산의 일종으로, 파편들이 서로 중력적 영향을 주고받기 때문에 계산량이 매우 많아 컴퓨터에 높은 성능이 요구된다. 그러나, 1980년대 후반부터 중력 다체 문제 전용 계산기에 의한 시뮬레이션으로 거대 충돌의 실증이 가능해졌다.

6. 풀리지 않은 쟁점들

거대충돌 가설에는 아직까지 풀리지 않은 쟁점들이 존재한다. 구체적인 논쟁거리들은 다음과 같다.

• 달에 있는 휘발성 원소들의 비율이 거대충돌 가설과 일치하지 않는다.^[51]
• 지구가 용암 바다로 덮여 있었다는 증거가 없다. 테이아 정도 질량의 천체가 부딪혔을 경우 지구 표면은 녹아내려 용암 바다로 덮였어야 했는데, 지구 표면에서 발견되는 몇몇 물질들에는 용암 바다 속에서 절대로 살아남을 수 없는 것들이 존재한다.^[51]
• 달의 구성 물질 중 산화 철의 함량이 13퍼센트임을 고려하면, 지구의 맨틀 물질로 달이 만들어졌을 가능성은 거의 없다.^[52]
• 만약 달로 뭉쳐진 덩어리들이 충돌로 튀어나온 물질들이라면, 현재 달에는 친철 원소가 풍부해야 하지만, 실제 달에는 상기 성분이 결핍되어 있다.^[53]
• 달 기원 가설에는 아직 해결해야 할 몇 가지 어려움이 있다. 예를 들어, 거대 충돌 가설은 충돌 후 표면에 마그마 바다가 형성되었을 것이라고 암시한다. 그러나 지구에 그러한 마그마 바다가 있었다는 증거는 없으며, 마그마 바다에서 처리된 적이 없는 물질이 존재할 가능성이 있다.
• 달의 휘발성 원소 비율은 거대 충돌 가설로 설명되지 않는다. 거대 충돌 가설이 옳다면 이러한 비율은 다른 원인에 기인해야 한다.
• 달 현무암에 갇힌 물과 달 표면에서 발생하는 탄소 배출과 같은 휘발성 물질의 존재는 달이 고온 충돌에 의해 형성되었다면 설명하기 더 어렵다.^[29]
• 달의 산화철(FeO) 함량(13%)은 화성(18%)과 지구 맨틀(8%)의 중간 정도인데, 이는 원시 달 물질의 대부분이 지구 맨틀에서 왔을 가능성을 배제한다.
• 원시 달 물질의 대부분이 충돌체에서 왔다면, 달은 친철원소가 풍부해야 하지만, 실제로는 이 원소가 부족하다.
• 달의 산소 동위원소 비율은 지구와 본질적으로 동일하다. 산소 동위원소 비율은 매우 정확하게 측정될 수 있으며, 각 태양계 천체에 고유하고 뚜렷한 특징을 제공한다. 만약 별도의 원시 행성 테이아가 존재했다면, 배출된 혼합 물질과 마찬가지로 지구와 다른 산소 동위원소 특징을 가졌을 것이다.
• 달의 티타늄 동위원소 비율(⁵⁰Ti/⁴⁷Ti)은 지구와 매우 가깝게 나타나서(4ppm 이내), 충돌체의 질량이 달의 일부를 형성했을 가능성은 거의 없다.^[30][31]
• 만약 달이 그러한 충돌로 형성되었다면, 다른 내부 행성들도 비슷한 충돌을 겪었을 가능성이 있다. 이 과정으로 금성 주위에 형성된 달은 탈출하기 어려웠을 것이다. 만약 그러한 달 형성 사건이 일어났다면, 금성이 그러한 달을 가지고 있지 않은 이유에 대한 가능한 설명은 두 번째 충돌이 일어나 첫 번째 충돌의 각운동량에 반대되는 작용을 했을 수 있다는 것이다. 또 다른 가능성은 태양으로부터의 강한 조석력이 근접 행성 주위의 달 궤도를 불안정하게 만들었을 것이라는 점이다. 이러한 이유로 금성의 느린 자전 속도가 역사 초기에 시작되었다면, 지름이 몇 킬로미터 이상인 위성은 안으로 나선형으로 들어가 금성과 충돌했을 가능성이 높다.
• 지구형 행성 형성의 혼란스러운 시기에 대한 시뮬레이션은 달을 형성한 것으로 가설이 세워진 것과 같은 충돌이 흔했음을 시사한다. 질량이 지구 질량의 0.5~1배인 일반적인 지구형 행성의 경우, 그러한 충돌은 일반적으로 모행성 질량의 4%를 포함하는 단일 달을 생성한다. 결과로 생성된 달 궤도의 기울기는 무작위적이지만, 이러한 기울기는 시스템의 후속적인 역학적 진화에 영향을 미친다. 예를 들어, 일부 궤도는 달이 다시 행성으로 나선형으로 들어가는 원인이 될 수 있다. 마찬가지로, 행성이 별에 얼마나 가까이 있는지도 궤도 진화에 영향을 미칠 것이다. 궁극적인 효과는 충돌로 생성된 달이 더 멀리 떨어진 지구형 행성을 공전하고 행성 궤도와 정렬될 때 생존할 가능성이 더 높다는 것이다.
• 에드워드 벨브루노와 리처드 고트는 2004년 논문에서 충돌한 천체가 라그랑주 점 L₄ 또는 L₅ (지구 궤도 상의, 지구보다 60도 앞선 점과 60도 뒤쪽 점)에서 형성된 후 카오스적인 궤도를 이동하여 적당히 저속으로 지구에 충돌했다고 주장했다.^[41] 이 메커니즘에 따르면 이러한 충돌 사건이 일어날 확률은 상당히 높아진다고 한다.
• 거대 충돌 가설이 분열설과 마찬가지로 안고 있던 문제로, 달의 궤도면(백도면)이 지구의 적도면과 약 5도 기울어져 있는 것을 설명할 수 없다는 것이 있었다. 그러나 이 문제도 최근 정밀도를 높인 시뮬레이션에 따르면, 거대 충돌로 흩어진 파편끼리의 중력적인 상호 작용으로 설명할 수 있는 가능성이 제기되고 있다.^[42]

7. 대안 가설

달의 기원에 관해서는 여러 가설이 제시되었지만, 지구-달 시스템의 높은 각운동량을 설명하지 못해 주류 학설로 인정받지 못했다. 주요 가설로는 원심력에 의해 달이 지구에서 떨어져 나갔다는 설, 다른 곳에서 형성된 달이 지구에 포획되었다는 설, 지구와 달이 같은 강착 원반에서 동시에 형성되었다는 설 등이 있다.

1984년 하와이, 코나에서 열린 달 기원에 대한 회의에서 거대 충돌 가설이 가장 유력한 가설로 부상했다.^[5] 이전까지는 세 가지 "전통적인" 이론과 거대 충돌 가설을 지지하는 소수의 의견이 대립했지만, 회의 이후에는 거대 충돌 가설 지지자와 불가지론자 두 그룹만이 남았다.

거대 충돌 가설 외에도, 지구와 거대한 소행성의 충돌로 달이 형성되었다는 가설이 있다. 이 가설은 달이 주로 지구의 파편으로 만들어졌으며, 태양계 형성 후 6,000만~1억 4,000만 년 후에 발생했다고 주장한다. 소행성 충돌은 지구와 원시 달에 마그마 바다를 만들었고, 두 천체는 공통적인 플라스마 금속 증기 대기를 공유하여 물질 교환을 통해 조성이 균질화되었을 것이라고 설명한다.

로빈 M. 캐넘은 달과 지구가 각각 화성보다 큰 두 행성체의 충돌과 재충돌을 통해 형성되었다는 모델을 제시했다.^[33]

7. 1. 평형 가설 (Equilibration hypothesis)

7. 2. 직접 충돌 가설 (Direct collision hypothesis)

7. 3. 시네스티아 가설 (Synestia hypothesis)

7. 4. 지구 마그마 바다 가설 (Terrestrial magma ocean hypothesis)

7. 5. 복수 충돌설 (Multiple impact hypothesis)

8. 다른 천체의 위성 형성

2005년에 발표된 로빈 카납(Robin Canup)의 시뮬레이션에 따르면, 명왕성의 위성인 카론도 지구의 달과 마찬가지로 약 45억 년 전에 거대 충돌에 의해 탄생했다는 것이 시사되었다^[45]。시뮬레이션에 따르면, 명왕성의 경우 지름이 1600km에서 2000km 정도 되는 다른 에지워스-카이퍼 벨트 천체가 초속 1km 정도로 충돌했다고 한다. 카납은 이러한 위성 형성 과정은 초기 태양계에서 일반적이었을 가능성이 있다고 추측하고 있다.

또한, 태양계 외 행성의 형성 시뮬레이션에 의해, 지구형 행성이 형성될 때 3개 또는 4개 중 1개 정도의 비율로 자이언트 임팩트와 같은 거대 충돌을 경험하여 달과 같은 위성을 가질 가능성이 지적되고 있다. 이로부터, 다른 항성을 도는 행성에도 지구와 같은 형성 과정을 거친 달을 가진 것이 있을지도 모른다고 생각된다.

참조

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