조석 고정: 달은 왜 늘 같은 면을 우리에게 보일까?

어릴 때 답은 알았지만 장면은 보이지 않았다

달이 늘 같은 면을 지구로 향한다는 사실을 처음 알게 된 것은 어머니가 사 주신 백과사전에서였습니다.

책에는 달의 자전이 약 30일, 지구 주위를 도는 공전도 약 30일이라 두 주기가 같기 때문에 늘 같은 면이 보인다고 적혀 있었습니다. 문장은 모두 이해했지만 머릿속 그림은 도무지 움직이지 않았습니다. 달이 자전한다면 어떻게 계속 같은 면을 우리에게 향할 수 있을까요?

그때는 1990년대 대만이었습니다. 과학과 미해결 수수께끼, 음모론을 한 권에 섞은 책이 서점에 많았습니다. 어디까지가 과학인지 가리기 어려웠지만 책장을 덮기도 어려웠습니다.

지구에서 보이지 않는 달 뒷면에는 외계인 기지나 공개할 수 없는 비밀이 있을지 모른다는 이야기도 빠지지 않았습니다. 달 전체 영상을 언제든 찾아볼 수 없던 시절이라 보이지 않는 반구는 상상하기 좋은 공간이었습니다.

나중에는 뒷면에도 햇빛이 들고 탐사선이 이미 자세히 촬영하고 지도화했다는 것을 알았습니다. 그래도 답을 외우고도 움직임을 이해하지 못했던 그때의 질문은 오래 남았습니다.

그 백과사전에 있었으면 좋았을, 직접 움직일 수 있는 그림을 여기에 만들었습니다.

자전하지 않는 달은 오히려 모든 면을 보여 준다

자전 속도를 0으로 맞춥니다. 달이 지구 오른쪽에서 왼쪽으로 이동해도 붉은 점은 우주 공간의 같은 방향을 향합니다. 그래서 지구에서는 다른 면이 보입니다. 한 번 공전하는 동안 지구에서는 달 표면 전체가 차례로 지나가는 모습을 보게 됩니다.

이제 동주기 자전으로 바꿉니다. 달이 궤도에서 90도 이동할 때마다 달 자체도 90도 돌아 붉은 점이 계속 지구 쪽으로 방향을 바꿉니다. 지구에서 보이는 면은 거의 달라지지 않습니다.

동주기 자전의 조건은 자전 한 번과 공전 한 번에 걸리는 시간이 같고 회전 방향도 같은 것입니다. 먼 별을 기준으로 달은 실제로 한 번 자전합니다. 지구를 기준으로는 달 표면이 밀리지 않습니다.

우연이 아니라 오래전 달이 천천히 감속한 결과

막 만들어진 달이 처음부터 지금 속도로 자전한 것은 아닙니다. 지구의 중력은 달의 가까운 쪽과 먼 쪽에 조금 다르게 작용해 달 전체를 아주 작게 늘입니다. 바닷물처럼 눈에 띄지 않을 뿐 암석도 변형됩니다.

달이 더 빨리 자전할 때는 부푼 부분이 지구를 정확히 향하지 못합니다. 지구 중력이 어긋난 팽창부를 잡아당겨 토크를 가하고, 암석이 반복해 휘는 동안 기계 에너지 일부가 열로 바뀌어 자전이 느려집니다.

자전과 공전이 동기화되면 팽창부가 달 내부를 오가지 않아 에너지 소산이 크게 줄고 그 상태가 오래 유지됩니다. 실제 과정에는 궤도 이심률, 달 내부 구조, 다른 섭동도 관여합니다. 슬라이더는 핵심인 주기 관계만 남겼습니다.

조석 고정에는 바다가 필요하지 않다

조석은 중력 차이가 만드는 늘어남이며 반드시 바닷물이 있어야 하는 현상이 아닙니다. 암석, 얼음층, 천체 전체에도 고체 조석이 생깁니다. 변형 과정에서 에너지가 소산되면 오랜 시간 누적되어 자전을 바꿀 수 있습니다.

태양계의 많은 대형 위성은 같은 면을 모행성으로 향합니다. 명왕성과 카론은 서로 고정되어 두 천체 모두 정해진 반구만 상대에게 보여 줍니다.

뒷면은 영원히 어두운 면이 아니다

달 뒷면은 지구 반대쪽을 향할 뿐 태양 반대쪽에 계속 머물지 않습니다. 삭 무렵에는 뒷면이 낮이고 보름 무렵에는 뒷면이 밤입니다. ‘어두운 면’이라는 이름은 햇빛이 전혀 들지 않는다는 오해를 만듭니다.

달 궤도는 타원이라 공전 속도가 변하지만 자전 속도는 더 일정합니다. 궤도 기울기와 관측 위치까지 더해져 달이 좌우와 위아래로 조금 흔들려 보입니다. 이 칭동 덕분에 지구에서는 시간이 지나며 달 표면의 약 59%를 볼 수 있습니다.

나머지 지역도 탐사선이 촬영하고 지도화했습니다. 외계인 기지는 어린 시절의 상상력을 자극했지만 이를 뒷받침하는 관측 증거는 없습니다. 실제 뒷면은 앞면과 지형이 크게 달라 지질학만으로도 충분히 흥미롭습니다.

달은 고정됐지만 지구–달 계는 계속 변한다

달은 지구에 고정됐지만 지구는 아직 달에 고정되지 않았습니다. 지구 자전은 달 공전보다 훨씬 빠릅니다. 지구의 조석 팽창부는 달보다 조금 앞서가고, 달은 이를 뒤로 잡아당겨 지구 자전을 늦춥니다. 팽창부는 다시 달을 끌어 각운동량을 달 궤도로 전달합니다.

아폴로 임무가 달에 남긴 레이저 반사경으로 거리를 정밀하게 잴 수 있습니다. 측정 결과 달의 평균 거리는 해마다 약 3.8센티미터 늘어납니다. 달이 탈출하려는 것이 아니라 지구 자전과 달 궤도가 지금도 각운동량을 교환한 결과입니다.

백과사전의 ‘30일’은 기억하기 쉬운 근삿값입니다. 먼 별을 기준으로 달의 자전과 공전은 약 27.3일이고, 같은 위상에서 다음 같은 위상까지는 약 29.5일입니다. 조석 고정에서 비교하는 것은 앞의 두 주기입니다.

조석 고정은 지구와 달만의 현상이 아니다

두 천체가 충분히 가까운 거리에서 오래 지내면 조석력이 자전을 공전과 같은 속도까지 늦출 수 있습니다. 태양계에는 늘 같은 면을 행성으로 향하는 위성이 아주 많습니다.

목성의 네 갈릴레이 위성

이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토는 모두 목성에 조석 고정되어 각자 같은 반구를 목성 쪽으로 향합니다.

토성의 위성 타이탄

타이탄은 약 15일 22시간에 한 번 자전하고 같은 시간에 토성을 한 바퀴 돌아, 늘 같은 면을 토성 쪽으로 향합니다.

해왕성의 위성 트리톤

해왕성 북극 위에서 보면 트리톤은 시계 방향으로 공전하며 해왕성 자전과 반대 방향입니다. 천문학에서는 이를 역행 궤도라고 합니다. 그 방향에서도 자전은 동기화되어 같은 면을 해왕성으로 향합니다.

명왕성과 카론: 서로 고정된 한 쌍

이 둘은 한 단계 더 나아갑니다. 카론은 같은 면을 명왕성으로, 명왕성도 같은 면을 카론으로 향해 서로 상대의 같은 쪽만 봅니다.

수성은 관련된 사례지만 보통의 1:1 고정은 아니다

수성은 태양을 두 바퀴 도는 동안 세 번 자전하는 3:2 자전–공전 공명 상태입니다. 조석력이 이 상태의 형성에 관여했지만, 달처럼 늘 같은 면을 태양으로 향하지는 않습니다.

태양계에서 조석 고정된 천체