테이아 행성 - 지구와 충돌해서 달을 만들었다?

테이아(theia)는 태양계 초기의 고대 행성으로, 거대 충돌 가설에 따르면 약 45억 년 초기 지구와 충돌하여 분출된 파편 중 일부가 모여 달을 형성했다는 가설이 있습니다. 두 행성의 핵과 맨틀이 융합된 이러한 충돌은 지구의 핵이 그 크기의 천체에 비해 예상보다 큰 이유를 설명할 수 있습니다. 테이아는 화성 크기 정도로 추정되며, 태양계 외곽에서 형성되어 지구의 물 대부분을 공급했을 것으로 추정됩니다.

이름의 유래

그리스 신화에서 테이아는 타이탄 중 하나였습니다. 그녀는 달의 여신 셀레네의 어머니였는데, 이는 달을 창조하는 데 있어 테이아 행성의 이론적 역할과 유사합니다. 현대 그리스어로 테오스 및 테아('삼촌' 및 '이모', 고대 그리스어로 '신성한'이라는 뜻)와 같은 어원을 가지고 있습니다.

 

궤도

테이아는 지구 - 테양계가 제시하는 L4 또는 L5 구성으로 궤도를 돌았을 것으로 가정합니다. 이것이 사실이라면 지름이 약 6,102㎞(3,792마일)인 화성에 필적하는 크기로 성장했을 것입니다. 금성에 의한 중력 섭동으로 인해 초기 지구와의 충돌 경로에 놓일 수 있습니다.

 

충돌

거대 충돌 가설에 따르면 테이아는 태양 - 지구 시스템의 두 개의 더 안정적인 라그랑지안 점(즉, L4 또는 L5) 중 하나 또는 다른 하나에 근접하여 거의 원시 지구의 궤도를 따라 태양을 공전했습니다. 테이아는 결국 목성, 금성 또는 둘 다의 중력 영향으로 그 관계에서 멀어져 테이아와 지구 사이의 충돌을 초래했습니다.

컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 테이아는 약 45도 각도로 지구에 충돌했을 때 4㎞/s(14,000㎞/h)보다 빠르게 이동하지 않았습니다. 

처음에 가설은 테이아가 지구를 한 번에 강타했다고 가정했습니다. 그리고 원시 지구와 테이아의 많은 조각을 방출했으며, 그 조각들은 달이 된 하나의 몸체를 형성하거나 결국 합쳐져 달을 형성하는 두 개의 위성을 형성했습니다. 이러한 설명은 정면충돌이 두 행성을 파괴 하여 금성과 화성 궤도 사이에 단명 한 두 번째 소행성 벨트를 만들었을 것이라고 가정했습니다. 

이와는 대조적으로, 2016년 1월에 발표된 증거에 따르면 충돌은 실제로 정면 충돌이었으며 테이아의 잔해가 지구와 달에 남아 있습니다. 

 

가설

현대 천문학이 시작된 이래로 달의 기원에 대한 가설은 적어도 네가지가 있었습니다.

1. 지구와 달로 분리 된 단일 몸체
2. 달은 지구의 중력에 의해 포획되었습니다.(대부분의 외계 행성의 작은 위성이 포획되었기 때문에)
3. 지구와 달은 원시 행성 원반이 붙을 때 동시에 형성되었습니다. 
4. 자이언트 임팩트 충동설

테이아 충돌 시나리오

아폴로 우주비행사가 회수한 달 암석 샘플은 지구 지각과 구성이 매우 유사한 것으로 밝혀져 격렬한 사건으로 지구에서 제거되었을 가능성이 높습니다.

2012년에 마티야 오육과 사라 스튜어트는 테이아가 지구의 핵이 같은 크기의 천체에서 예상 보다 큰 이유를 설명할 수 있다고 이론화했는데, 테이아의 핵과 맨틀이 지구의 핵과 융합했을 수 있다는 것입니다. 또한 지구 맨틀 깊은 곳에서 발견되는 저전단 속도의 대형 지역이 테이아 파편일 수 있다는 가설이 있습니다. 

2019년에 발표된 증거에 따르면 테이아는 태양계 외곽에서 형성되었을 수 있으며, 지구 물의 대부분이 테이아에서 유래했을 가능성이 있다고 합니다.

 

물리적 문제점과 새로운 설명 방법

자이언트 임팩트 이론에도 화성만한 크기의 천체가 지구를 완전히 파괴하지 않는 정확한 각도로 충돌하여 그로 인해 자전축이 기울어져 지구에서 활발한 판구조론이 일어날 수 있는 확률이 매우 낮다는 문제점이 있었습니다. 이 낮은 확률은 외계 문명의 존재 가능성이 높다는 것과 그러한 문명과의 접촉 증거가 전혀 없다는 사실 사이의 모순(페르미의 역설)을 설명하기 위한 증거로 제시되기도 했습니다. 

그러나 에드워드 벨브루노와 리처드 고트는 최근 논문에서 충돌한 천체가 라그랑주점 L4 또는 L5에서 형성된 후, 혼돈의 궤도를 이동하여 적당히 느린 속도로 지구에 충돌했다고 주장했습니다. 이 메커니즘에 따르면, 이러한 충돌사건이 일어날 확률이 상당히 높다고 합니다.

또한 , 자이언트 임팩트설이 분열설과 마찬가지로 안고 있던 문제점으로 달의 궤도면이 지구의 적도면과 약 5도 정도 기울어져 있는 것을 설명할 수 없다는 것이 있었습니다. 그러나 이 문제점도 최근 정밀도를 높인 시뮬레이션에 따르면, 자이언트 임팩트에서 튀어나온 파편들 간의 중력적 상호작용으로 설명할 수 있는 가능성이 제기되고 있습니다.

이처럼 자이언트 임팩트설은 앞서 언급한 분열선, 형제설 및 포획설이 가지고 있던 많은 문제를 해결할 수 있다고 알려져 1980년대 중반에는 달 형성 이론 중 가장 유력한 이론으로 여겨지게 되었습니다.

 

지구의 위성 이외의 사례

2005년에 발표된 로빈 카납의 시뮬레이션에 따르면, 명와성의 위성인 칼론도 지구의 달과 마찬가지로 약 45억 년 전 대충돌로 탄생한 것으로 추정됩니다. 시뮬레이션에 따르면, 명왕성의 경우 직경이 1,600㎞에서 2,000㎞ 정도인 다른 에지워스 - 카이퍼 벨트 천체가 초속 1㎞ 정도로 충돌한 것으로 나타났습니다. 카납은 이러한 위성 형성 과정이 초기 태양계에서는 일반적이었을 것으로 추측하고 있습니다. 

또한 외계행성 형성 시뮬레이션을 통해 지구형 행성이 형성될 때 3~4개 중 1개 정도의 비율로 자이언트 임팩트와 같은 큰 충돌을 경험하고 달과 같은 위성을 가질 가능성이 지적되고 있습니다. 이를 통해 다른 항성 주위를 도는 행성에도 지구와 비슷한 형성 과정을 거친 달을 가진 행성이 있을 것으로 추정하고 있습니다.