달 앞면이 더 뜨겁다…맨틀 내부 열 비대칭 확인

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달 앞면과 뒷면이 지질학적으로 다르다는 사실은 오래전부터 알려져 있었지만, 그 차이가 내부 깊숙한 곳까지 이어진다는 수치적 증거는 이번에 처음으로 확인됐다. NASA의 GRAIL(중력 회복 및 내부 구조 실험) 탐사선이 수집한 중력장 데이터를 분석한 국제 연구진은, 지구 중력에 따른 달의 조석 변형 반응을 정밀 분석해 맨틀 내부의 열적 비대칭 구조를 입증했다.

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이번 연구의 핵심은 러브 수(Love number)로 불리는 조석 반응 계수 가운데 하나인 k₃ 값이다. 연구진은 이 값을 0.0163으로 산출했는데, 이는 구형 대칭 구조를 가정했을 때 예상되는 값보다 약 72% 높은 수치다. 이 결과는 달 내부가 좌우 대칭이 아니라는 정량적 근거로 해석된다.

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보다 구체적으로는, 달의 앞면과 뒷면 사이 전단 계수 차이는 약 2~3%이며, 이는 맨틀 온도 기준으로 약 100~200K의 차이에 해당한다. 앞면 맨틀이 더 뜨거워 암석이 덜 단단하고, 조석 변형에 더 쉽게 반응한다는 뜻이다.

 

 

 

달 내부 비대칭 구조 진화 과정 개념 모델

약 40억년 전(왼쪽) 달 앞면(Nearside) 내부의 열 이상(thermal anomaly)으로 부분 용융된 물질이 분출돼 넓고 어두운 평원 지대인 현재(오른쪽)의 '바다'(mare) 지형이 형성됐다. 내부가 냉각되면서 용융 물질은 점차 하강해 현재 지하 800~1천㎞에 있는 것으로 추정된다. 그림에서 색깔은 맨틀 온도를 나타내며, 연한 노랑→진한 주황→진한 녹색 순으로 온도가 낮다. [자료=Nature / Ryan Park et al.]

 

 

 

달의 조석 반응 계수인 러브 수(Love number)를 비교한 그래프. 왼쪽(a)은 이상적인 구형 모델(주황), 실제 GRAIL 관측값(파랑), 그리고 앞면과 뒷면의 전단 계수에 1% 차이를 둔 비대칭 모델(녹색)을 보여준다. 관측된 k₃ 계열 값이 구형 모델보다 훨씬 커서, 달 내부에 대칭이 아닌 구조가 존재할 가능성이 크다는 해석이 나온다. 오른쪽(b)은 이 k₃ 값들이 앞면과 뒷면의 구조 차이에 얼마나 민감한지를 깊이별로 나타낸 것으로, 맨틀 중심부 약 600~1,200km 구간에서 반응이 가장 뚜렷하게 나타난다. 즉, 달의 비대칭 구조는 표면이 아니라 깊은 맨틀 내부에서 비롯된 것일 가능성이 높다.

 

 

달 심부 맨틀의 부분 용융과 월진 연관성

이러한 열 차이는 단순한 고대의 흔적이 아니라 현재까지도 유지되고 있는 구조적 특성이다. 연구진은 달 앞면 맨틀 깊이 약 800~1,200km 구간에서 부분 용융 상태가 지속되고 있을 가능성이 높다고 분석했다. 이 구간은 실제로 심부 월진이 자주 발생하는 위치와도 겹친다.

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앞면에 집중된 방사성 원소(예: 토륨, 우라늄 등)는 오랜 시간 열을 공급해 온 것으로 보이며, 이로 인해 열적 비대칭이 형성되고 유지된 것으로 추정된다. 이러한 구조는 과거 앞면에 집중됐던 마레(현무암질 화산 평원) 형성과도 밀접한 관련이 있다.

이번 연구에 적용된 조석 단층 촬영(tidal tomography) 기법은 지구 중력에 따라 달 내부가 매달 겪는 미세한 중력장 변화를 추적함으로써, 정적 중력장 측정이나 지진파 분석만으로는 파악하기 어려웠던 맨틀 깊은 곳의 구조까지 간접적으로 파악할 수 있게 해준다.

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논문은 NASA 제트추진연구소(JPL), 애리조나주립대, 고다드 우주비행센터, UC버클리 등이 공동 참여했으며, 국제학술지 네이처(Nature) 2025년 5월호에 게재됐다. 연구진은 향후 달 뒷면에 설치될 Farside Seismic Suite와 아르테미스 임무 등을 통해 이 비대칭 구조가 지각 깊이까지 어떻게 연결되는지 더 정밀하게 분석할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

 

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