우리는 달나라에 토끼가 살고 있다고 하지만 서양에서는 토끼가 아니라 웃고 있는 사람의 얼굴이라고 한다. 물론 환상이다.

달 표면에 검게 보이는 반점은 달의 대양(고대 화산 폭발 시의 용암에 의해 생겨난 평지)이고, 이 반점들이 상대적으로 밝은 달의 대지 위에 그림을 그려낸다.

항상 웃고 있는 편안한 친구가 달에 있다. 달은 정확히 한 달에 한 번씩 지구 주위를 공전하면서 늘 같은 면을 지구로 향하고 있다. 그런데 왜 저 얼굴이 항상 지구를 바라보고 있을까? 사이언스데일리(Science Daily)의 최근 기사 내용이다.

* 달 얼굴. Man in the Moon. 달 표면을 가만히 쳐다보고 있으면 사람의 얼굴이나, 토끼 모습이 나타난다. 일종의 변상(變像, pareidolia)이다.

이제껏 과학자들은 달의 ‘동기(同期) 궤도’가 일종의 동전 던지기 식의 우연의 일치라고 생각해 왔다고 한다. 그러나 칼텍(캘리포니아공대)의 행성과학 교수 아론슨과 그의 동료들은 그렇지 않다는 것을 발견했다. ‘동기 궤도’란 달의 자전과 공전 주기가 같은 현재의 궤도를 말한다.

과거 달은 자체 축을 중심으로 오늘날보다 빠르게 자전하고 있었으며, '달 얼굴'이 우리를 바라보게 된 것은 달의 자전 속도가 느려지다가 현재의 상태로 맞춰지게 되었다고 한다.

달은 구형이지만 사실은 한 쪽으로 긴 장축(長軸)을 갖는 미식축구공 같은 형태이다. 달 생성 초기인 40억 년 전, 아직은 뜨겁고 대부분이 녹아 있는 상태에서 지구의 중력이 달을 잡아 늘이기 시작했다. 그 결과 달이 식었을 때는, 약간 길쭉한 형태로 고정되었다. 오늘날, '달 얼굴'은 늘어난 축의 한 쪽에 위치한다.

그리고 '달 얼굴'이 항상 우리를 향하고 있는 이유는 달의 자전 주기와 공전 주기가 일치하기 때문인데, 얼추 20억 년 전에는 달의 자전 주기가 오늘날보다는 훨씬 빨랐고, 따라서 지구에서는 달의 뒷면을 포함 모든 면을 볼 수 있었다.

그러나 지구의 중력 때문에 결국 달의 회전 속도는 느려진다. 1960년대에 골드라이히가 설명한 에너지 분산 프로세스에 의한 결과이다. 조석력(潮汐力)도 작용하여 이미 늘어난 달을 약간 더 부풀게 한다.

이로써 어느 쪽이든 지구에 가장 가까운 방향으로 달이 정렬되도록 하는 것이다. 이제 약간 부푼 쪽이 지구를 향한 상태로 공전을 하게 되면서 그에 따라 달의 내부도 출렁였다. 달의 내부가 출렁대면서 그 마찰력이 브레이크 역할을 하면서 달의 회전 속도를 늦추어 공전 주기가 자전주기에 맞추어 지게 되었으며, 지금과 같은 동기(同期) 궤도를 갖게 된 것이다.

이 같은 방법으로 지구의 중력 때문에 달은 현재처럼 장축(長軸)이 지구 쪽을 향하도록 맞추어 지게 되었다. 이제 의문점은 어떻게 '달 얼굴' 쪽이 항상 지구를 바라보게 되었는가 하는 점인데, 실제로 현재의 달 뒷면 쪽이 지구를 바라보게 될 가능성이 크기 때문이다. 달의 뒷면에는 높은 산들과 고지형이 많으므로 '달 얼굴' 쪽보다 지구 중력을 더 크게 느낄 수 있다.

이카루스 저널에 실은 논문에서 연구원들은 달의 물리학을 분석했다. 달의 어느 쪽 면이 지구를 향하는 가를 결정하는 요인으로 달의 회전이 느려지는 비율을 들었는데, 이는 달이 얼마나 빨리 자전 에너지를 분산시키는가의 문제이다.

가령 달이 실제보다 100배 정도 빠르게 에너지를 잃었다면 '달 얼굴'이 지구를 바라볼 가능성은 50대 50이다. 이 같은 시나리오라면 기존 과학자들 생각대로 동전 던지기 식의 확률(50대 50이므로)이 된다. 그러나 달의 실제 에너지 분산 속도는 훨씬 느렸다. 그 결과로 '달 얼굴'이 지구를 바라볼 가능성은 2대 1이 되었다. 아론슨에 의하면 동전 한 쪽이 '무거워진' 것이다.

아론슨에 의하면 '달 얼굴'이 지구를 향한 것을 우연의 일치로 볼 것이 아니라 달의 에너지 분산 속도가 '달 얼굴'에 맞춰진 것, 따라서 동전 한쪽을 무겁게 한 것을 우연의 일치로 봐야 한다.

아론슨은 논문 결과에 단서를 덧붙였다. 자신과 연구원들의 분석은 현재의 달을 기반으로 한 것이라고 한다. 과거 달의 궤도가 처음으로 고정되었을 때는 다른 특성을 가질 수 있다.

그 경우라면, '달 얼굴'에 대한 설명은 달라질 공산이 있다고 한다. 그러나 비교적 최근에 , 즉 지난 10억년 이내에 달의 동기(同期) 궤도가 고정되었다면 연구원들의 분석이 맞을 확률이 높다.