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- 현재까지 가장 높은 해상도를 가진 약 45억 년 전의 달 형성 충돌 시뮬레이션으로 확인
- 연구팀, 각각의 크기가 14km이고 질량이 10조 톤인 1억 개의 입자를 기초로 사용
- 충돌 후 5시간 후, 외부 덩어리는 지구반경 약 7배의 거리에서 원형 지구 궤도에 안정화

달은 몇 시간 안에 형성됐을 것
시뮬레이션은 지구와 원시 행성 테이아(Theia) 사이의 놀라운 충돌 과정을 보여준다.

우리의 달은 생각보다 훨씬 빨리 형성될 수 있었다. 몇 년이나 몇 세기가 아니라 몇 시간 만에. 이것에 대한 증거는 현재까지 가장 높은 해상도를 가진 약 45억 년 전의 달 형성 충돌 시뮬레이션이다. 이에 따르면, 원시 행성 테이아의 충돌은 원시 지구에서 반쯤만 녹은 커다란 덩어리를 방출했으며, 그 덩어리는 달이 되었다. NASA 팀에 따르면 이 시나리오는 한 번에 여러 달의 특성을 설명할 수 있다. 

▲ 미세하게 흩어진 파편 구름 대신에, 45억 년 전 달 형성 충돌은 직접적으로 반쯤 녹은 거대한 덩어리 몇 개를 생성했을 수 있다. ©NASA

지구의 달은 약 45억 년 전에 젊은 지구가 화성 크기의 원시 행성에 부딪혔을 때 형성됐다.
그러나 달이 어떻게 형성되었는지는 정확히 밝혀지지 않았다. 고전적인 시나리오에 따르면 원시 행성의 파편과 분출된 지구 물질은 먼저 손상된 지구 주위에 파편 고리를 형성한 다음 지구의 위성이 점차 덩어리를 형성했다.

유일한 문제:
이 시나리오는 기울어진 달 궤도에 맞지 않으며 지구와 달의 동위원소 구성이 거의 동일하지 않다. 원시 행성의 나머지 부분은 어디에 있을까? 일부 행성 연구자들은 충돌 동안 지구도 거의 완전히 증발했다. 따라서 현재의 암석 껍질도 달과 동일한 동위원소 혼합물로 구성되어 있다고 가정한다. 다른 이들은 테이아의 나머지 부분이 지구의 맨틀 깊숙이 숨어 있다고 의심한다. 그러나 이러한 모델은 달의 궤도가 기울어진 이유와 시스템이 처음에 상대적으로 높은 각운동량을 얻은 위치를 설명할 수 없다.

100배 더 높은 해상도와의 충돌

이것이 NASA Ames Research Center의 제임콤 케거라이스(Jacob Kegerreis)가 이끄는 팀이 시뮬레이션을 사용하여 사건을 다시 분석한 이유다. "대부분의 이전 달 시뮬레이션에는 10만-100만 개의 입자가 포함되었지만 이러한 해상도는 행성의 회전 주기나 분출된 파편의 질량과 같은 큰 충돌의 일부 핵심 기능을 결정적으로 매핑할 수 없다"고 연구원들은 말한다. 따라서 그들은 각각의 크기가 14km이고 질량이 10조 톤인 1억 개의 입자를 기초로 사용했다.

재구성을 위해 Kegerreis와 그의 팀은 가상의 원시 행성이 무수한 약간 다른 시나리오에서 시뮬레이션된 원시 지구와 충돌하도록 했다. 약 400번의 통과 과정에서 충돌 각도, 질량, 온도 및 관련된 천체의 회전, 충돌 속도를 변경했다. 그들은 분출된 충돌 파편의 경로, 모양 및 질량을 관찰했다.

▲ 지구와 달의 역사는 떼려야 뗄 수 없는 관계다. ©NASA

잔해의 고리 대신 거대한 덩어리

놀라운 결과:
원시 행성이 약 45도 각도로 지구와 충돌하면(일반적인 가정에 해당) 시뮬레이션에서 알 수 있듯이 반쯤 녹은 커다란 덩어리만 지구 근처 공간으로 던질 수 있다. 두 번째 덩어리는 첫 번째 큰 물체에서 떨어져 나와 마치 새총처럼 더 먼 궤도로 발사된다. Kegerreis와 그의 팀은 "내부 나머지는 위성이 지구 자체로 떨어지기 전에 각운동량을 위성으로 전달한다"고 보고했다.

충돌 후 5시간 만에 외부 덩어리는 지구 반경 약 7배의 거리에서 거의 원형의 지구 궤도에서 안정화됐다. 첫 번째 덩어리에서 던져졌기 때문에 궤도는 지구의 적도를 향해 기울어져 있다. 이러한 방식으로 형성된 위성은 오늘날 달 질량의 거의 70%를 차지하므로 연구원들이 설명하는 것처럼 지구 달의 비정상적인 크기를 설명한다.

철심과 흙 껍질

여기서 하이라이트는 큰 파편 덩어리가 절반만 녹았기 때문에 재료가 고르게 혼합되지 않았다. 그것들은 약 30~40%의 흙으로 구성되어 있지만, 이것은 주로 표면에 있다. "시뮬레이션에서 생성된 대부분 위성은 물질 기원과 관련해 강한 기울기를 보인다"며 "내부는 주로 외부를 향한 원시 지구 맨틀 암석의 비율이 증가하는 껍질 아래에 있는 이아 물질로 구성돼 있다"고 보고했다.

생성된 달은 약 60%가 지구 암석으로 구성된 외부 암석 껍질을 가지고 있다. 이는 측정된 지구와 동위원소 일치를 설명할 것이다. 시뮬레이션 실행에 따라 철 함량은 0.1%에서 3% 사이였다. 팀에 따르면 이는 약 1%의 달 철심의 실제 질량 분율과 잘 일치한다고 한다. 전반적으로 이 시나리오는 달의 특성에 대해 이전에 풀리지 않은 몇 가지 질문에 답할 수 있다.

새로운 달 샘플로 ​​확인 가능

"이것은 달의 형성과 발달을 위한 완전히 새로운 가능성을 열어준다"고 Kegerreis는 말한다. “우리는 이러한 고해상도 시뮬레이션에서 무엇이 나올지 정확히 알지 못한 채 이 프로젝트를 시작했다. 결과는 표준 해상도가 오해의 소지가 있는 답변을 제공할 수 있음을 보여줄 뿐만 아니라 달과 같은 위성이 어떻게 궤도에 진입했는지도 보여준다.”

아르테미스(Artemis) 프로그램의 일부인 미래의 달 임무는 새로운 시나리오가 올바른지 보여줄 수 있다. 이 기간 우주 비행사는 이전에 샘플링되지 않은 달 지역에서 암석 및 드릴 샘플을 지구로 가져올 것이다. 암석과 드릴 샘플의 구성은 지구의 달이 어떻게 생겼는지에 대해 더 많이 드러낼 수 있다.
(The Astrophysical Journal Letters, 2022; doi: 10.3847/2041-8213/ac8d96)
출처: NASA

[더사이언스플러스=편집국]

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