달의 앞면과 뒷면이 뚜렷하게 다른 이유가 거대한 충돌 사건에서 비롯됐을 가능성이 제기됐다. 중국이 처음으로 회수한 달 뒷면 시료가 수십 년간 이어진 '달 비대칭성' 논쟁에 중요한 단서를 제공하고 있다.

13일(현지시간) 사이언스얼럿에 따르면 중국과학원(CAS)은 중국의 창어(嫦娥) 6호 임무를 통해 지구로 옮겨진 달 뒷면 토양 시료를 분석한 결과, 달 양반구의 근본적인 차이가 과거 발생한 초대형 충돌로 인해 달 내부 조성 자체가 달라졌기 때문일 수 있다는 결론에 도달했다고 밝혔다. 이는 운석 충돌이 단순히 표면에 흔적을 남기는 데 그치지 않고, 천체 내부 구조와 화학 조성까지 장기적으로 변화시킬 수 있음을 보여주는 사례로 평가된다.

달의 앞면과 뒷면이 왜 이렇게 다른지는 1959년 옛 소련의 루나 3호가 달 뒷면을 처음 촬영한 이후 줄곧 과학계의 수수께끼였다. 지구를 향한 앞면에는 넓고 평탄한 어두운 현무암 평원이 분포하는 반면, 뒷면은 색조가 밝고 크고 작은 충돌 분화구로 빽빽하게 뒤덮여 있다. 이 같은 차이를 설명하기 위해 여러 가설이 제기됐으며, 그중 하나가 태양계에서 가장 큰 충돌 분화구로 알려진 '남극-에이트켄 분지(South Pole–Aitken Basin)'와의 연관성이다. 이 분지는 달 표면의 약 4분의 1을 차지할 정도로 거대하다.

그러나 지금까지는 달 뒷면에서 직접 채취한 시료가 없어 가설을 검증하는 데 한계가 있었다. 이런 상황에서 창어 6호 임무는 결정적인 전환점이 됐다. 이 임무는 인류 역사상 처음으로 달 뒷면의 토양을 채취해 지구로 가져오는 데 성공했다. 2024년 시료 캡슐이 지구에 착륙한 이후, 과학자들은 본격적인 분석에 착수했다.

이번 연구에서 행성과학자 톈헝치(田恒齊)가 이끄는 연구진은 남극-에이트켄 분지에서 채취한 현무암 시료에 포함된 칼륨과 철의 동위원소 조성을 집중 분석했다. 연구진은 이 결과를 아폴로 계획과 중국의 창어 5호 임무를 통해 확보된 달 앞면 시료의 동위원소 데이터와 비교했다. 동위원소는 중성자 수가 달라 질량은 다르지만 화학적 성질은 같은 원소를 의미한다.

분석 결과, 달 앞면 시료에서는 상대적으로 가벼운 철·칼륨 동위원소의 비중이 높았던 반면, 달 뒷면 시료에서는 무거운 동위원소 비율이 뚜렷하게 높게 나타났다. 연구진은 이러한 차이가 화산 활동만으로는 설명될 수 없다고 판단했다. 특히 칼륨 동위원소의 변화 양상은 일반적인 마그마 과정과 부합하지 않는다는 것이다.

연구진은 남극-에이트켄 분지를 형성한 거대 충돌 당시 발생한 극심한 열이 달 맨틀 깊숙한 곳까지 영향을 미쳤고, 이 과정에서 가벼운 동위원소가 우선적으로 증발하면서 내부 조성이 달라졌을 가능성이 크다고 설명했다. 

논문은 "칼륨 동위원소 조성은 달 뒷면 맨틀이 앞면보다 더 무거운 동위원소 특성을 지니고 있음을 보여주며, 이는 남극-에이트켄 분지를 만든 충돌로 인한 칼륨 증발의 결과일 가능성이 가장 크다"고 밝혔다. 이어 "이 연구는 대규모 충돌이 행성의 맨틀과 지각 조성을 형성하는 핵심 요인임을 시사한다"고 덧붙였다.

이 충돌은 단순히 표면을 파낸 데 그치지 않고, 달 맨틀 깊은 곳까지 화학적 흔적을 남겼을 가능성이 있다. 연구진은 이로 인해 반구 규모의 맨틀 대류가 유도됐을 가능성도 배제하지 않고 있다. 다만 이를 확인하기 위해서는 달 뒷면의 다른 지역에서 추가 시료 확보가 필요하다고 밝혔다.

이미 달 역사상 가장 큰 충돌이 달의 모습을 영구적으로 바꿨다는 점은 잘 알려져 있다. 이번 연구는 그 영향이 표면을 넘어 달 내부 화학 조성에까지 깊게 각인돼 있음을 보여준다. 시간의 흐름으로도 지워지지 않는 '화학적 상처'가 달 안쪽에 남아 있다는 의미다.

이번 연구 결과는 학술지 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)에 게재됐다.