(This polar hydrogen map of the moon’s northern and southern hemispheres identifies the location of the moon’s ancient and present day poles. In the image, the lighter areas show higher concentrations of hydrogen and the darker areas show lower concentrations.
Credits: James Keane, University of Arizona; Richard Miller, University of Alabama at Huntsville)
달은 거대한 충돌에 의해 지구와 함께 형성된 것으로 생각하고 있습니다. 초기 달은 그 시절의 지구와 마찬가지로 내부가 녹은 거대한 불덩이 상태였을 것입니다. 이후 점차 식으면서 달은 지질학적으로 활동을 잃은 천체가 되었습니다. 질량이 지구의 80분의 1이 채 안되는데다 지구처럼 내부에 방사성 동위원소를 충분히 가지지 못해 결국 내부가 빨리 식게된 것이죠.
하지만 달에 존재하는 용암 대지와 (바다라고 부르는) 용암 동굴 같은 지형은 과거 수십 억년 전 달에도 내부에 녹은 상태의 맨틀과 핵이 있고 지질활동이 활발하게 일어났다는 증거를 제시하고 있습니다. 그리고 그로 인해서 어쩌면 자전축이 변경되었을 가능성도 있습니다.
행성과학 연구소의 매튜 시글러(Matthew Siegler of the Planetary Science Institute in Tucson, Arizona)와 그의 동료들은 나사의 관측 데이터 (Lunar Prospector, Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), Lunar Crater and Observation Sensing Satellite (LCROSS), and the Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL)) 를 이용해서 흥미로운 사실을 발견했습니다.
그것은 달의 극지방에 있는 수소의 분포 (이는 물의 분포를 시사함)가 뭔가 이상하다는 것입니다. 마치 두 개의 지역에 집중된 분포는 과거 달의 자전축이 지금과는 대략 5도 정도 차이가 있는 것이 아닌가 하는 가설을 떠올리게 만듭니다. (위의 사진)
좀 더 부연 설명을 하면 보통 달 표면의 환경에서는 얼음이 형성될 수 없습니다. 낮에는 기온이 섭씨 150도까지 상승하는데다 대기가 없어 바로 증발해 사라지기 때문이죠. 하지만 달의 극지방에는 크레이터 내부에 영원히 태양빛이 들지 않는 지역이 존재합니다.
이런 영구 음영지역에는 혜성 충돌등으로 인한 얼음이 보존될 수 있습니다. 시간이 지나면 이 얼음은 레골리스 같은 고운 입자로 둘러쌓여 보존되게 됩니다. 과학자들은 그 존재를 수소 이온의 분포로 알아낼 수 있습니다. 그리고 그 분포가 이상하다는 것은 앞서 말한 대로입니다.
연구팀은 대략 30억년 전 달의 자전축이 대략 5도 정도 기울었다고 생각하고 있습니다. 이는 거리로 따지면 대략 200km 정도입니다.
(달의 자전축 변화. A cross-section through the Moon, highlighting the antipodal nature of lunar polar volatiles (in purple), and how they trace an ancient spin pole. The reorientation from that ancient spin pole (red arrow) to the present-day spin pole (blue arrow) was driven by the formation and evolution of the Procellarum—a region on the nearside of the Moon associated with a high abundance of radiogenic heat producing elements (green), high heat flow, and ancient volcanic activity.
Credits: James Tuttle Keane, University of Arizona)
달의 자전축이 바뀌는 원리는 내부가 균일하지 않은 공이 자전축이 흔들리는 것과 비슷합니다. 당시 달의 한쪽으로 대규모의 맨틀 물질 분출이 일어나면서 내부의 밀도가 변경되었고 이로 인하여 무게 중심이 변경되면서 자전축까지 변경된 것입니다.
한 가지 흥미로운 점은 지구를 비롯해 태양계의 다른 천체에서도 이런 일이 발생했는지 여부입니다. 아마도 우리가 알지는 못하지만, 생각보다 이런 현상이 자주 있었는지도 모릅니다. 인간이 알 수 있는 것은 사실 자연의 극히 일부에 지나지 않을 것이니까요.
참고
M. A. Siegler et al. Lunar true polar wander inferred from polar hydrogen, Nature (2016). DOI: 10.1038/nature17166
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