[비즈한국] 지구에 생명이 탄생할 수 있게 해준 행운이라고 하면 어떤 것이 떠오르는가? 보통 오랫동안 쉬지 않고 지구에게 에너지를 비춰주고 있는 태양, 그리고 그 태양에서 지구가 너무 멀지도 가깝지도 않은 적당한 거리에 떨어져 있다는 행운 정도가 생각날 것이다. 하지만 이런 행운에 비해서 지구 곁에 달이 있다는 사실은 그다지 중요하지 않은 것처럼 보인다. 하지만 놀랍게도 오늘날의 지구가 존재할 수 있는 데에는 달의 역할이 아주 크다.
달은 우리를 위해 어떤 역할을 했을까? 달이 없었다면 지구와 우리 인류의 모습은 지금과 전혀 달랐을까? 평소에 미처 생각지 못했던 달의 고마움을 따라가보자.
#바다 생물을 뭍으로 끌어낸 달
사실 지구의 달은 지구에 비해서 꽤 크기가 크다. 지구의 반의 반, 4분의 1 정도 크기다. 목성이나 토성 등 지구보다 훨씬 더 거대한 행성이 우리 달보다 더 작은 크기의 ‘돌멩이’들을 위성으로 거느리고 있는 것을 생각해본다면, 지구는 사실 자신의 덩치에 비해서 꽤 부담스러운 자연 위성을 거느리고 있는 셈이다.
지구와 달 사이 거리는 약 38만 km다. KTX가 최고속도로 쉬지 않고 지구에서 달까지 간다고 하면 50일 정도 걸리는 거리다. 지구에서 가장 가까운 천체 하면 떠오르는 게 달이지만, 사실 지구에서 달까지만 하더라도 꽤 거리가 멀다. 흥미롭게도 지구를 제외한 나머지 태양계 일곱 행성이 지구와 달 사이에 쏙 들어온다. 이처럼 지구와 달은 실제로 멀리 떨어져 있지만, 두 천체가 주고받는 중력은 아주 효과적이다. 특히 우리는 매일 달의 중력을 체감할 수 있는데, 바닷가에서 만나는 밀물과 썰물, 조석 현상이다.
밀물과 썰물, 조석 현상이 벌어지는 이유는 지구와 달이 사실 단순히 점이 아니라 부피를 갖고 있는 물체이기 때문이다. 우리는 평소 지구와 달의 움직임을 간단하게 묘사하기 위해서, 두 천체를 모두 한 점에 질량이 모두 모여 있는 점 질량으로 간주하고 기술할 때가 많다. 하지만 사실은 그렇지 않다. 두 천체 모두 큰 덩치, 부피를 갖고 있다.
그래서 지구의 각 부분에서 느끼는 달의 중력은 조금씩 그 세기가 다르다. 지구에서 달을 향하고 있는 쪽은 지구에서 달을 등지고 있는 쪽에 비해서, 지구의 지름만큼 달에 더 가깝다. 그래서 엄밀하게 비교하면, 달을 향하고 있는 쪽의 지구에서 느끼는 달의 중력이, 달을 등지고 있는 지구 반대편에서 느끼는 달의 중력보다 더 강하다. 이처럼 지역별로 느끼는 중력이 달라지는 효과를 차등중력이라고 한다. 결국 지구는 달을 향한 쪽과 달을 등지고 있는 쪽에서 느끼는 달의 중력의 세기가 다르기 때문에, 마치 자신을 양 옆으로 잡아당기는 듯한 느낌을 받게 된다.
단단한 땅에 비해서 바다는 달의 중력에 더 민감하게 반응한다. 그래서 달로 인한 차등중력(또는 조석력)에 의해서, 지구 양 옆으로 펑퍼짐하게 바닷물이 모이게 된다. 그렇게 모인 바닷물은 지구 주변을 약 한 달 주기로 돌고 있는 달에 이끌려 함께 움직인다. 매일 지구 전역의 바닷가에서는 부푼 바닷물 쪽으로 진입했다가 다시 멀어지는 밀물과 썰물을 경험하게 된다.
이렇게 달에 의한 차등중력으로 밀물과 썰물이 반복되면서, 해안가에서는 아주 중요한 지형이 만들어진다. 바로 갯벌이다. 이렇게 만들어진 갯벌은 바다와 육지를 이어주는 중간 단계 역할을 하게 된다. 지금으로부터 약 4억 년 전까지만 하더라도 지구에 살던 동물들 대부분은 바닷속에서만 살고 있었다. 그런데 바닷가 근처에 살던 일부 생물들은 밀물과 썰물을 만나면서, 우연히 바닷물이 모두 빠져나간 갯벌 위에 노출되기 시작했다. 이런 과정을 반복하면서 아가미가 아닌 폐로 호흡하는 데 성공한 개체들은 갯벌 위에서도 고스란히 생존해 계속 후손을 남기기 시작했다.
결국 달에 의한 조석 현상은 지구에서 땅과 바다를 이어주는 중간 가교, 갯벌을 만들어주었다. 그리고 이 갯벌을 통해서 바닷속에 갇혀 있던 지구의 생명들이 육지로 올라오는 계기가 마련되었다. 달은 마치 인어공주에게 다리를 만들어주었던 동화 속 마녀와 같은 역할을 했던 셈이다. 달이 없었다면, 이렇게나 빨리 바닷속 생물들이 육지로 올라오기 어려웠을 것이다. 달은 지구 생명체들의 진화를 촉진했다. 따지고 보면 우리가 맛있게 먹는 갯벌의 수산물들도 모두 달 덕분에 맛볼 수 있다. 나는 시원한 바지락 칼국수를 먹을 때마다 달에게 감사한 마음을 품고는 한다.
#달이 있기에 가능한 지구의 계절 변화
달은 지구가 지금처럼 뚜렷한 계절 변화를 겪을 수 있게 만들어주는 역할도 했다. 지구에 이런 거대한 달이 만들어지게 된 이유는 수십억 년 전 화성 정도 크기의 한 천체가 어린 지구와 큰 충돌을 겪었기 때문이다. 테이아라고 불리는 이 천체가 지구와 부딪히면서 생긴 파편이 지구 주변을 맴돌며 다시 뭉쳤고 그것이 달이 되었다고 추측한다. 이때의 거대한 충돌은 지구의 자전축이 약 23도 살짝 기울어지도록 만들었다.
자전축이 비스듬하게 기울어진 덕분에, 지구의 각 지역에서는 위도에 따라서 시기별로 태양 빛이 들어오는 양이 달라지기 시작했다. 그래서 지구가 태양 주변을 돌면서, 어느 쪽으로 기울어져 있는지에 따라 각 지역에서는 봄 여름 가을 겨울의 계절 변화를 경험할 수 있게 되었다.
지구의 자전축이 조금씩 방향이 바뀌는 세차 운동을 표현한 영상. 영상=Robert Simmon, NASA GSFC
게다가 이런 거대한 달이 지구 주변을 돌면서, 강한 중력으로 지구를 잘 붙잡아 주고 있는 덕분에 큰 충격을 겪은 후에도 지구의 자전축이 크게 요동치지 않고 계속 일정한 각도로 기울어져 잘 균형을 유지할 수 있다. 사실 지구의 자전축도 약 2만 6000년을 주기로 아주 느리게 방향이 변화하는 세차 운동을 하고 있다. 그래서 지구의 자전축도 흔들리기 시작한 팽이의 회전축처럼 조금씩 방향이 바뀌고 있다. 그런데 만약 이런 육중한 달이 지구 곁에서 지구를 잘 붙잡아 주고 있지 않았다면, 큰 충돌을 겪은 후의 지구는 더 크게 요동치며 자빠지기 직전의 팽이처럼 더 심하게 세차 운동을 했을 것이다.
결국 지금보다 더 극단적이고 불안정한 계절 변화로 생태계가 조성되기 어려웠을 수 있다. 단 한 끗 차이로, 달을 만들어준 테이아의 대 충돌은 지구에게 절멸이 아닌 생명을 안겨준 셈이다.
#인류의 과학도 결국 달 덕분에 가능했다
이런 생명의 탄생과 안정적인 기후 환경이 만들어진 것뿐 아니라, 인류가 과학을 발전시킬 수 있었던 데에도 달의 역할을 무시하기 어렵다. 달은 오래전부터 태양과 함께 인류의 하늘을 밝게 비추는 중요한 조명의 역할을 했다. 그래서 낮에는 태양, 밤에는 달이 각각 중요한 상징이 되었다. 오래전부터 태양과 달에 인격을 부여해 하늘의 법칙을 이야기하는 다양한 설화와 종교가 싹트기 시작했다. 태양과 달은 인류가 문화라는 것을 가질 수 있게 해준 중요한 계기가 된 셈이다.
또 주기적으로 태양과 달이 서로를 가리는 일식과 월식은 특히 중요한 천문학적 이벤트였다. 고대에는 이런 태양과 달이 사라지는 현상이, 마치 곧 다가올 재해나 전쟁을 암시하는 징조라고 여겨지기도 했다. 그래서 국가 차원에서 일식과 월식을 정확하게 예측하기 위해 수학과 천문학을 체계적으로 발전시키게 되었다.
물리학자 아이작 뉴턴은 젊은 시절, 머리 위로 떨어진 사과를 보며 이런 고민을 했다. 이렇게 작고 가벼운 사과도 지구의 중력 때문에 땅으로 떨어지는데, 하늘에 떠 있는 거대한 달은 어떻게 땅으로 떨어지지 않는 걸까? 그 결과, 달이 지구의 중력에 붙잡혀 있지만 지구 주변을 둥글게 맴돌고 있기 때문에 땅으로 떨어지지 않는 것처럼 보인다는 사실을 간파했다. 오늘날 우리는 뉴턴이 달을 보며 했던 이 고민 덕분에, 달이 지구 주변을 도는 것과 정확히 똑같은 원리로 수많은 인공위성을 띄울 수 있게 되었다.
하늘에 떠 있는 거대한 달은 지상에서는 하기 어려운 천문학적인 실험의 무대가 되기도 했다. 1910년 테오도르 울프는 에펠탑 꼭대기에서 지상보다 더 강한 방사선이 검출되는 것을 발견했다. 당시 사람들은 하늘로 올라갈수록 강해지는 이 방사선의 주원인이 태양이라고 생각했다. 그래서 이를 검증하기 위해 1912년 오스트리아의 물리학자 빅토르 헤스는 직접 열기구를 타고 5000미터 상공으로 날아가는 실험을 시도했다.
특히 그는 방사선이 정말 태양에서 오는 것인지를 검증하기 위해, 개기일식이 진행되는 순간 하늘로 올라갔다. 달에 의해 태양이 가려지면 검출되는 방사선 수치가 줄어들 것이라 기대했다. 하지만 놀랍게도 일식의 진행 과정과 상관없이 계속 하늘에서는 높은 방사선이 검출되었다. 이 개기일식 날의 비행을 통해 헤스는 하늘에서 쏟아지는 방사선이 태양이 아니라, 지구 바깥 우주 자체에서 쏟아진다는 사실을 알아냈다. 최초로 우주 방사선의 존재가 확인된 순간이었다. 이후 헤스는 이 발견의 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.
아인슈타인의 상대성 이론 역시 달이 있었기에 더 빨리 인류 과학의 정설로 받아들여질 수 있었다. 1915년 아인슈타인은 질량에 의해 주변 시공간이 휘어질 수 있다는 상대성 이론을 주장했다. 하지만 시공간의 휘어짐이 너무 미미해서 당시의 검출 기술로는 쉽게 파악할 수 없었다. 적어도 태양 정도의 육중한 질량 덩어리는 되어야 그 정도를 파악해볼 만했다. 분명 아인슈타인의 가설에 따르면 태양은 그 육중한 질량으로 주변 시공간을 왜곡하고, 그 왜곡된 시공간 주변을 날아오는 먼 별빛의 경로는 휘어져 들어오고 있을 것이다. 아인슈타인은 이렇게 휘어진 시공간을 지나오는 별빛의 경로가 함께 휘어지면서, 하늘에서 별이 실제와 다른 자리에서 보일 수 있다는 중력 렌즈 현상을 예측했다.
하지만 하늘에서 태양 바로 옆에 있는 별을 본다는 건 현실적으로 불가능한 과제였다. 그 때 천문학자 에딩턴은 기발한 아이디어를 떠올렸다. 바로 하늘에서 달에 의해 태양만 쏙 가려지는 개기일식을 활용하는 것이었다. 그래서 1919년 남아메리카와 아프리카로 떠난 에딩턴의 원정대는 각 장소에서 개기일식이 진행되는 동안 태양의 자리 주변에서 보이는 별들의 위치를 정확히 관측했다. 그리고 놀랍게도 정확하게 아인슈타인이 예견한 대로 살짝 다른 위치에서 별이 목격되는 중력 렌즈 현상을 확인했다. 달이 있었기에, 인류는 이 소설 같았던 상대성 이론을 더 빨리 검증할 수 있었던 셈이다.
#우주로 떠나고 싶게 만드는 자극제, 달
하늘에 떠 있는 거대한 달은 오랫동안 땅에 달라붙어 있던 인류에게 우주로 날아가고자 하는 열망을 품게 했다. 마치 늑대인간이 보름달을 보면 흥분하는 것처럼, 인류도 달을 보면서 우주로 떠나고자 하는 욕구를 품기 시작했다. 달은 그나마 가까운, 인류가 한 번쯤 여행을 해볼 만한 그나마 현실적인 거리에 떨어진 목적지였다. 그래서 쥘 베른의 ‘달세계로의 여행’과 같은 많은 작품들을 통해 자연스럽게 달로 날아가는 우주여행의 모습이 그려졌다. 그리고 비로소 인류는 1969년 아폴로 11호 미션을 통해 달에 발자국을 남기게 되었다.
1902 조르주 멜리에스가 제작한 영화 ‘달세계 여행’. 인류 최초의 우주여행을 담은 SF 영화로 쥘 베른의 SF 소설 ‘달세계로의 여행’을 바탕으로 하고 있다.
만약 지구 주변에 지금처럼 이 거대한 달이 없었다면, 지구에는 지금처럼 바다와 육지를 모두 가득 채운 풍성한 생태계가 자리 잡기 어려웠을지 모른다. 설령 긴 시간이 지나서 육상 동물이 출현하고 인류가 탄생했다 하더라도, 달이 없는 깜깜한 밤하늘 아래 살기 시작한 인류는 지금보다 하늘에 덜 관심을 가졌을 것이다. 밤하늘을 규칙적으로 움직이는 자연 위성에 대한 고민도, 사과를 얻어맞으며 달은 왜 하늘에 떠 있는지 궁금해한 뉴턴의 고민도, 그리고 달을 활용해 검증했던 우주 방사선과 상대성 이론의 역사도 아마 없었을지 모른다. 그리고 달이 없는 심심한 하늘 아래 우리는 우주로 날아가고자 하는 꿈 역시 꾸지 못했을 것이다.
최근 많은 천문학자들은 지구처럼 주변에 덩치 큰 위성을 거느리고 있어야, 그 행성에 생명이 진화하고 인류처럼 고등 문명으로 과학을 발전시킬 수 있을 것이란 고민도 함께하고 있다. 그래서 단순히 다른 별 주변을 맴도는 외계행성만 찾는 것이 아니라, 그 외계행성 곁에 지구의 달과 같은 커다란 자연 위성도 함께 있는지를 확인하는 시도도 이뤄지고 있다.
어쩌면 오늘날 지구가 존재할 수 있게 해준 가장 특별한 행운, 우연은 오늘 밤 우리 하늘을 밝게 비춰줄 저 거대한 달의 존재가 아닐까. 수십억 년 전 지구로 테이아가 다가오지 않았다면, 그 충돌로 날아간 파편들이 모여서 저 거대한 달이 되지 않았다면 우리는 지금 이 자리에 존재하지 못했을지도 모른다.
참고
https://www.scientificamerican.com/article/moon-life-tides/
https://www.nature.com/articles/d41586-019-01172-z
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02086-6
필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.
지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com
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