지구와 달: 달은 어떻게 생겼고 왜 멀어지나 (거대충돌설, 밀물·썰물, 위상과 일식·월식, 아르테미스 계획)

밤하늘에서 가장 크고 가장 가까운 천체, 달. 우리는 너무 익숙해서 잘 묻지 않지만, 달에는 질문이 많습니다. 달은 어디서 왔을까요? 왜 늘 같은 얼굴만 보여 줄까요? 바닷물은 왜 하루 두 번 들어왔다 나갈까요? 그리고 정말 달이 조금씩 멀어지고 있을까요? 연재 「태양계 행성 여행」 다섯 번째 편은 우리가 사는 행성 지구와 그 짝인 달을 이 질문들로 하나씩 풀어 봅니다.

먼저 숫자로: 지구와 달의 짝

항목	지구	달
지름	약 12,742km	약 3,474km (지구의 약 27%)
질량	기준	지구의 약 81분의 1
표면 중력	기준	지구의 약 6분의 1
나이	약 45억 4천만 년	약 45억 년 안팎으로 추정
태양 또는 지구까지 평균 거리	태양까지 약 1억 5,000만 km (1AU)	지구까지 약 38만 4,400km
공전 주기	약 365.25일	약 27.3일 (별 기준), 보름에서 다음 보름까지 약 29.5일
자전축 기울기	약 23.4도	약 1.5도
대기	질소·산소	사실상 없음

달은 행성과 견준 크기로 따지면 태양계에서 가장 큰 위성입니다. 목성의 가니메데나 토성의 타이탄은 달보다 크지만, 거느린 행성에 비하면 아주 작습니다. 지구 지름의 4분의 1이 넘는 달을 거느린 지구는 그래서 「이중 행성에 가깝다」는 말을 듣기도 합니다. 지구와 달 사이 거리는 지구 30개를 한 줄로 늘어놓은 정도입니다. 지구가 태양에서 얼마나 떨어져 있는지, 천문단위(AU)가 무엇인지는 광년·천문단위·파섹 글에서 다뤘습니다.

질문 하나: 달은 어디서 왔을까

20세기 중반까지 달의 기원에는 세 가지 생각이 맞섰습니다. 지구가 빨리 돌다가 한 덩어리가 떨어져 나갔다는 분열설, 다른 곳에서 만들어진 달을 지구 중력이 붙잡았다는 포획설, 지구와 달이 같은 재료에서 나란히 생겼다는 동시 생성설입니다. 셋 다 그럴듯했지만 결정적인 약점이 하나씩 있었습니다.

판을 바꾼 것은 아폴로 우주비행사들이 가져온 약 382kg의 월석이었습니다. 분석해 보니 달 암석은 산소 같은 원소의 동위원소 비율이 지구 암석과 매우 닮았고, 휘발성 물질은 적었으며, 철로 된 핵은 아주 작았습니다. 이 단서들을 가장 잘 설명하는 것이 1970년대에 제안된 거대충돌설입니다.

• 약 45억 년 전, 막 만들어진 원시 지구에 화성만 한 천체가 비스듬히 부딪쳤습니다. 이 가상의 천체에는 그리스 신화에서 달의 여신 셀레네의 어머니 이름을 따 「테이아」라는 이름이 붙었습니다.
• 충돌로 녹아 튀어나간 바깥층 물질이 지구 둘레에 원반을 이루었고, 이것이 뭉쳐 달이 되었습니다.
• 무거운 철은 대부분 지구 쪽에 남았기 때문에 달의 핵이 작고, 엄청난 열 때문에 물 같은 휘발성 물질이 빠져나갔다는 설명이 됩니다.

다만 거대충돌설은 현재 가장 유력한 가설이지 확정된 사실은 아닙니다. 달과 지구가 지나치게 닮았다는 점은 오히려 새 질문을 낳았습니다. 테이아의 성분이 원래 지구와 비슷했는지, 충돌이 훨씬 격렬해서 두 천체가 거의 섞여 버렸는지, 작은 충돌이 여러 번 있었는지를 두고 지금도 컴퓨터 모의실험과 연구가 이어지고 있습니다.

질문 둘: 왜 늘 같은 얼굴만 보일까

지구에서는 언제나 토끼 무늬가 있는 쪽만 보입니다. 달이 자전하지 않아서가 아닙니다. 달은 지구를 한 바퀴 도는 동안 정확히 한 번 자전합니다. 공전과 자전 주기가 같으니 늘 같은 면이 지구를 향하는 것입니다. 이를 조석 고정이라고 합니다.

처음부터 그랬던 것은 아닙니다. 젊은 달은 더 빨리 자전했지만, 지구의 중력이 달을 지구 쪽으로 살짝 길쭉하게 잡아당기면서 그 부푼 부분에 브레이크가 걸렸습니다. 오랜 세월 끝에 자전이 공전과 딱 맞춰졌습니다. 태양계의 큰 위성 대부분이 이렇게 조석 고정되어 있습니다.

그래도 우리가 볼 수 있는 달 표면은 절반보다 조금 많은 약 59%입니다. 달의 궤도가 약간 찌그러진 타원이고 자전축도 기울어 있어, 달이 고개를 좌우·위아래로 살짝 흔드는 것처럼 보이기 때문입니다(칭동). 나머지 뒷면은 1959년 소련의 루나 3호가 처음 사진으로 보여 주었고, 2019년 중국의 창어 4호가 처음으로 뒷면에 착륙했습니다. 덧붙이면, 흔히 말하는 「달의 어두운 면」은 틀린 표현입니다. 뒷면도 앞면과 똑같이 낮과 밤을 겪습니다. 우리 쪽에서 보이지 않을 뿐입니다.

질문 셋: 바닷물은 왜 하루 두 번 들고 날까

달의 중력은 지구 전체를 당기지만, 가까운 쪽은 조금 더 세게, 먼 쪽은 조금 더 약하게 당깁니다. 이 차이 때문에 바닷물은 달을 향한 쪽과 그 반대쪽 두 곳에서 부풀어 오릅니다. 지구가 하루 한 바퀴 자전하는 동안 한 지점은 부푼 곳을 두 번 지나므로, 밀물과 썰물이 대개 하루 두 번씩 찾아옵니다. 달도 그사이 공전 방향으로 조금 움직이기 때문에 만조 시각은 날마다 약 50분씩 늦어집니다.

태양도 같은 일을 하지만 힘은 달의 절반이 조금 안 됩니다. 보름과 그믐 무렵 태양·지구·달이 한 줄로 서면 두 힘이 더해져 바닷물이 가장 크게 오르내리는 사리가 되고, 반달 무렵 직각을 이루면 차이가 작은 조금이 됩니다. 진도의 「신비의 바닷길」처럼 바다가 갈라지는 현상도 사리 무렵 썰물이 크게 빠질 때 일어납니다. 서해안은 바다가 얕고 해안선이 복잡해 조차가 큰 편으로, 인천 앞바다는 사리 때 물높이 차이가 8m를 넘기도 합니다.

밀물과 썰물은 바다만의 일이 아닙니다. 바닷물이 해저와 마찰하면서 지구의 자전을 아주 조금씩 늦추고 있습니다. 하루의 길이는 100년에 1~2밀리초 정도씩 길어지는 것으로 측정됩니다. 수억 년 전 산호 화석의 성장 줄무늬를 세어 보면 당시 1년이 400일 가까웠다는 연구도 있습니다. 하루가 더 짧았다는 뜻입니다.

질문 넷: 달은 정말 멀어지고 있을까

그렇습니다. 지구 자전이 느려지며 잃은 회전의 힘(각운동량)은 사라지지 않고 달에게 넘어갑니다. 그 결과 달은 해마다 약 3.8cm씩 지구에서 멀어지고 있습니다. 손톱이 1년 동안 자라는 길이와 비슷합니다.

이 숫자는 짐작이 아니라 측정값입니다. 아폴로 11호·14호·15호 우주비행사와 소련의 무인 탐사차 루노호트가 달에 두고 온 반사판에 지상 천문대가 레이저를 쏘고, 빛이 되돌아오는 약 2.5초의 시간을 재서 거리를 밀리미터 수준으로 계산합니다. 반세기 넘게 이어진 이 측정이 달의 후퇴를 확인해 주었습니다.

먼 미래에는 달이 지금보다 작아 보이게 되어 태양을 완전히 가리는 개기일식이 더는 일어나지 않을 것으로 예상됩니다. 그 시점은 수억 년 뒤로, 계산 방법에 따라 추정치가 다릅니다. 우리가 지금 개기일식과 금환일식을 모두 볼 수 있는 것은 우주의 긴 시간 가운데 꽤 운이 좋은 시기인 셈입니다.

질문 다섯: 달 모양은 왜 바뀌고, 일식·월식은 왜 매달 없을까

달은 스스로 빛을 내지 않고 햇빛을 반사합니다. 늘 태양 쪽 절반이 밝지만, 지구에서 그 밝은 쪽을 얼마나 보느냐가 공전 위치에 따라 달라집니다. 이것이 위상입니다. 아래 그림처럼 달이 태양 쪽에 있으면 밝은 면이 등을 돌려 보이지 않는 삭(신월), 반대편에 있으면 보름달이 됩니다.

달이 해와 지구 사이를 지날 때 해를 가리면 일식, 지구 그림자 속으로 들어가면 월식입니다. 그런데 삭과 보름은 매달 오는데 일식과 월식은 1년에 몇 번 안 됩니다. 달의 궤도면이 지구 공전 궤도면에 대해 약 5도 기울어 있어서, 대부분의 달에는 해나 지구 그림자의 위나 아래로 비껴 지나가기 때문입니다. 두 궤도면이 만나는 선 근처에서 삭이나 보름이 될 때만 식이 일어납니다.

구분	일식	월식
배치	태양-달-지구	태양-지구-달
달의 위상	삭(신월)	보름
볼 수 있는 곳	달 그림자가 지나는 좁은 띠 (개기일식)	달이 떠 있는 지구 밤쪽 어디서나
모습	개기·금환·부분일식. 개기일식 때 태양 바깥 대기(코로나)가 보임	개기월식 때 달이 붉은 구릿빛으로 변함
관측 주의	반드시 일식 안경 등 태양 필터 사용	맨눈으로 안전하게 관측 가능

개기월식 때 달이 완전히 검게 사라지지 않고 붉게 보이는 이유는 지구 대기가 햇빛 가운데 붉은빛을 굴절시켜 그림자 안으로 보내 주기 때문입니다. 지구의 모든 일출과 일몰이 달을 비추는 셈입니다. 금환일식은 달이 지구에서 먼 쪽에 있어 태양보다 조금 작게 보일 때 생기는 고리 모양 일식입니다. 달과 지구 사이 거리는 약 36만~40만 km 사이에서 달라집니다. 개기일식은 한 지역에서 평균 수백 년에 한 번꼴로 드물어, 국내에서 볼 수 있는 개기일식은 2035년 9월 2일 한반도 북부를 지나는 일식이 가장 가까운 것으로 알려져 있습니다. 올해와 내년의 일식·월식 날짜는 한국천문연구원 천문현상 자료에서 확인할 수 있습니다.

달이 없다면 지구는 어땠을까

달은 단순한 밤의 등불이 아닙니다. 과학자들은 달이 지구 자전축의 기울기를 비교적 안정적으로 붙잡아 주는 역할을 한다고 봅니다. 큰 위성이 없는 화성은 자전축 기울기가 긴 세월 동안 크게 오르내린 것으로 계산됩니다. 또 밀물과 썰물이 드나드는 갯벌은 바다와 육지를 오가는 생물의 무대가 되어 왔습니다. 다만 「달이 없었다면 생명이 생기지 않았다」처럼 단정하는 말은 아직 근거가 충분하지 않습니다.

다시 달로: 아폴로에서 아르테미스까지

사람이 마지막으로 달을 밟은 것은 1972년 12월 아폴로 17호였습니다. 그 뒤 반세기 동안 달에는 무인 탐사선만 갔습니다. 우리나라의 첫 달 탐사선 다누리도 2022년 12월부터 달 궤도를 돌며 표면을 촬영하고 있습니다.

NASA의 아르테미스 계획은 사람을 다시 달에 보내고 오래 머무는 것을 목표로 합니다. 이름은 그리스 신화에서 아폴로의 쌍둥이 누이인 달의 여신에서 따왔습니다. 2026년 10월 기준 진행 상황은 다음과 같습니다.

• 아르테미스 1호 (2022년 11~12월): 사람 없이 오리온 우주선이 달을 돌아오는 시험 비행.
• 아르테미스 2호 (2026년 4월 1~10일): 리드 와이즈먼, 빅터 글로버, 크리스티나 코크, 캐나다의 제러미 핸슨 네 명이 약 10일 동안 달 뒤편을 돌아 태평양에 내려앉았습니다. 1972년 이후 처음으로 사람이 달 근처까지 간 비행이었고, 지구에서 약 40만 6,800km까지 멀어져 1970년 아폴로 13호가 세운 「사람이 가장 멀리 간 기록」을 넘어섰습니다.
• 아르테미스 3호 (2027년 목표): 원래 착륙 임무였지만, NASA는 계획을 바꿔 지구 저궤도에서 오리온 우주선과 민간 기업이 만드는 달 착륙선의 도킹 등을 시험하는 비행으로 조정했습니다.
• 아르테미스 4호 (2028년 목표): 현재 계획상 아르테미스 첫 유인 달 착륙 임무입니다.

유인 우주 계획은 일정이 자주 바뀝니다. 위 날짜는 2026년 10월 현재 NASA 발표를 기준으로 한 목표이며, 최신 소식은 NASA 아르테미스 누리집에서 확인하는 것이 정확합니다.

다음 편 예고

지구에서 바깥쪽으로 한 걸음 더 나가면 붉은 행성이 기다립니다. 다음 편 「화성」에서는 에베레스트의 두 배가 넘는 화산과 거대한 협곡, 한때 강과 호수가 있었던 흔적, 지금도 달리고 있는 탐사차들, 그리고 2027년 2월 화성이 가장 잘 보이는 때를 정리합니다. 태양계 전체 배치는 태양계 한눈에 보기에서, 지구 안쪽 이웃은 금성 편에서 다시 볼 수 있습니다.

자주 묻는 질문

Q. 달은 정말 해마다 멀어지나요?

네. 아폴로 우주비행사들이 남긴 반사판에 레이저를 쏘아 측정한 결과, 달은 해마다 약 3.8cm씩 지구에서 멀어지고 있습니다. 지구 자전이 바다의 마찰로 느려지며 그 회전의 힘이 달로 넘어가기 때문입니다.

Q. 달 뒷면은 항상 어둡나요?

아닙니다. 뒷면도 앞면처럼 약 2주씩 낮과 밤을 겪습니다. 「어두운 면」은 지구에서 보이지 않는다는 뜻으로 잘못 굳은 표현입니다.

Q. 거대충돌설은 확정된 사실인가요?

현재 가장 유력한 가설이지만 확정된 사실은 아닙니다. 월석 성분과 달의 작은 핵 등을 잘 설명하지만, 지구와 달 성분이 지나치게 비슷한 이유 등은 아직 연구 중입니다.

Q. 보름달이 지평선 근처에서 더 크게 보이는 이유는?

실제 크기는 거의 같습니다. 주변 건물이나 산과 비교되면서 뇌가 크게 느끼는 착시(달 착시)로 설명됩니다. 사진으로 찍어 재 보면 차이가 거의 없습니다.

Q. 월식은 맨눈으로 봐도 되나요?

됩니다. 월식은 달이 지구 그림자에 들어가는 현상이라 눈에 해롭지 않습니다. 반대로 일식은 반드시 일식 관측 안경 등 태양 필터를 써야 합니다.

Q. 아르테미스 계획으로 사람은 언제 달에 내리나요?

2026년 10월 현재 NASA는 2027년 지구 궤도 시험 비행(아르테미스 3호)을 거쳐 2028년 아르테미스 4호에서 첫 착륙을 목표로 하고 있습니다. 일정은 바뀔 수 있습니다.