달의 같은 면만 보이는 이유, 달도 자전할까?

안녕하세요. 우리곁의우주입니다.

 

달 시리즈 지난 글과 이어서 오늘은 달의 같은 면만 보이는 이유에 대해 알아보겠습니다.

 

달의 같은 면만 보이는 이유는 달이 자전하지 않아서가 아닙니다. 달은 스스로 회전하면서 지구 주위를 돌고 있습니다. 자전 한 번과 공전 한 번에 걸리는 시간이 같기 때문에 지구에서는 대체로 같은 면을 보게 됩니다.

처음에는 조금 모순처럼 들릴 수 있습니다. 회전한다면 앞면과 뒷면이 번갈아 보여야 할 것 같기 때문입니다. 하지만 달의 회전과 이동을 함께 생각하면 이유가 분명해집니다. 자전과 공전의 차이부터 달의 뒷면에 관한 오해까지 차례로 정리해 보겠습니다.

달의 같은 면만 보이는 이유, 달도 자전할까?

달의 자전과 공전은 서로 다른 움직임입니다

자전은 천체가 자신의 축을 중심으로 회전하는 운동입니다. 공전은 다른 천체 주위를 궤도를 따라 도는 운동을 말합니다. 달은 이 두 운동을 동시에 하고 있습니다.

먼 별을 기준으로 보면 달이 지구 주위를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 약 27.3일입니다. 달이 자신의 축을 중심으로 한 바퀴 회전하는 시간도 이와 같습니다. 이러한 회전 상태를 동주기 자전이라고 합니다.

여기서 시간이 같다는 것은 달 표면의 이동 속도와 공전 궤도를 따라 이동하는 속도가 같다는 뜻은 아닙니다. 서로 다른 크기의 원을 도는 움직임이므로 이동 거리는 다릅니다. 같은 것은 한 바퀴를 마치는 데 걸리는 주기입니다.

달은 공전 궤도를 따라 이동하는 만큼 자신의 방향도 바꿉니다. 그 결과 달 표면의 특정 영역이 계속 지구 쪽을 향하게 됩니다.

같은 면을 보여 주려면 오히려 회전해야 합니다

방 한가운데 의자가 있고, 사람이 의자를 향해 선 모습을 떠올려 보세요. 가슴이 계속 의자를 향하도록 자세를 바꾸면서 의자 주위를 한 바퀴 이동한다고 생각하면 됩니다.

처음에는 방의 한쪽 벽을 바라보지만, 의자의 반대편으로 이동했을 때는 처음과 반대쪽 벽을 바라보게 됩니다. 출발점으로 돌아오는 동안 몸이 향한 방향도 한 바퀴 바뀝니다.

의자를 기준으로 보면 사람의 앞면이 계속 보입니다. 그러나 방 전체를 기준으로 보면 사람은 이동하는 동안 몸의 방향을 한 바퀴 돌린 것입니다.

달도 이와 비슷합니다. 지구에서는 같은 면이 보이지만, 멀리 있는 별을 기준으로 달의 방향을 비교하면 한 번 공전하는 동안 한 번 자전합니다. 같은 면이 보인다는 사실과 회전한다는 사실은 함께 성립합니다.

달의 같은 면만 보이는 이유, 달도 자전할까?

만약 달이 자전하지 않는다면 어떻게 보일까?

이번에는 달이 자신의 방향을 바꾸지 않은 채 지구 주위만 돈다고 가정해 보겠습니다. 달의 특정 지점이 우주 공간에서 계속 같은 방향을 향하는 상황입니다.

이 상태에서는 달이 궤도의 반대편으로 이동했을 때 지구에서 보는 면이 달라집니다. 처음 지구 쪽을 향하던 면이 나중에는 지구 반대쪽을 향하게 되기 때문입니다.

공에 표시를 붙여 생각하면 더 쉽습니다. 표시가 항상 방의 같은 벽을 향하도록 공을 이동시키면, 가운데 놓인 물체를 향하는 공의 부분은 계속 바뀝니다.

따라서 자전하지 않는 달을 지구에서 관찰한다면 공전하는 동안 여러 면을 차례로 보게 됩니다. 현재처럼 대체로 같은 면을 보려면 공전에 맞추어 자전하는 운동이 필요합니다.

자전과 공전 주기가 같아진 이유는 조석 고정입니다

달의 두 주기가 같아진 배경에는 지구가 달에 미치는 중력이 있습니다. 지구에 가까운 달의 부분과 먼 부분에는 중력이 조금 다르게 작용합니다. 이러한 차이로 생기는 효과를 조석력이라고 합니다.

조석력은 바닷물에만 작용하는 것이 아닙니다. 암석으로 이루어진 천체의 모양에도 미세한 변형을 일으킬 수 있습니다.

과거 더 빠르게 자전하던 달에서는 이러한 변형과 내부의 에너지 소산이 오랜 시간에 걸쳐 자전 운동을 늦추었습니다. 그 결과 달은 공전 주기와 자전 주기가 맞는 상태에 이르렀습니다. 이를 조석 고정이라고 부릅니다.

이때 ‘고정’이라는 단어를 달이 움직이지 않는다는 뜻으로 이해하면 안 됩니다. 달은 지금도 자전하고 공전합니다. 지구에 대해 보여 주는 방향이 대체로 유지되는 회전 상태라는 의미입니다.

달의 같은 면과 달의 같은 모양은 다릅니다

같은 면을 본다고 해서 달이 항상 보름달처럼 보여야 하는 것은 아닙니다. ‘어느 표면이 우리를 향하는가’와 ‘그 표면 중 얼마나 밝게 보이는가’는 서로 다른 문제입니다.

달이 지구 주위를 이동하면 태양빛이 달에 비치는 방향과 지구에서 바라보는 방향의 관계가 달라집니다. 그래서 같은 쪽 표면을 보면서도 초승달, 반달, 보름달처럼 밝은 모양이 바뀝니다.

달의 자전과 공전을 설명할 때 나오는 약 27.3일은 먼 별을 기준으로 한 주기입니다. 반면 보름달에서 다음 보름달처럼 같은 위상이 반복되는 주기는 평균 약 29.5일입니다.

달이 공전하는 동안 지구도 태양 주위를 이동하므로, 태양과의 위치 관계까지 이전과 같아지려면 달이 조금 더 이동해야 합니다. 따라서 위상 변화 주기를 그대로 달의 자전 주기라고 부르면 두 기준을 혼동하게 됩니다.

달의 같은 면만 보이는 이유, 달도 자전할까?

달의 뒷면은 영원히 어두운 곳일까?

달의 앞면과 뒷면은 지구에서 바라보는 방향을 기준으로 구분합니다. 지구를 향하는 쪽이 앞면이고, 대체로 지구 반대쪽을 향하는 쪽이 뒷면입니다.

반면 낮과 밤은 태양빛을 받는지에 따라 나뉩니다. 기준이 다르므로 달의 뒷면을 항상 어두운 면이라고 생각해서는 안 됩니다.

달의 뒷면에도 햇빛이 비치고 낮과 밤이 번갈아 찾아옵니다. 지구에서 보기 어려운 이유는 빛이 전혀 없어서가 아니라, 그 면이 우리 쪽을 향하지 않기 때문입니다.

또한 지구에서 직접 보기 어렵다는 것과 인류가 그 모습을 모른다는 것은 다릅니다. 탐사선은 달 주위를 돌거나 지구 반대편으로 이동하면서 뒷면을 촬영하고 관측할 수 있습니다.

실제로는 보이는 가장자리가 조금씩 달라집니다

‘같은 면만 보인다’는 표현은 달의 운동을 이해하는 데 유용하지만, 매 순간 정확히 동일한 표면 범위가 보인다는 뜻은 아닙니다.

달의 궤도는 완전한 원이 아니며, 공전 속도도 궤도 위치에 따라 달라집니다. 달의 자전축과 관측 방향의 관계도 영향을 줍니다. 그 결과 달이 조금씩 좌우나 위아래로 흔들리는 것처럼 보이는 칭동이 나타납니다.

칭동 덕분에 여러 시기의 관측을 모으면 달의 가장자리 너머를 조금씩 더 볼 수 있습니다. 그렇다고 시간이 지나면 지구에서 달의 모든 면을 볼 수 있다는 뜻은 아닙니다. 뒷면의 넓은 영역은 여전히 지구에서 직접 보이지 않습니다.

달을 이해할 때는 세 가지를 나누어 기억하면 좋습니다. 같은 면이 보이는 것은 동주기 자전, 밝은 모양이 변하는 것은 위상 변화, 보이는 가장자리가 조금씩 달라지는 것은 칭동입니다. 이 구분을 알면 달이 회전하면서도 익숙한 모습을 보여 주는 이유를 설명할 수 있습니다.

참고 자료

• 미국 항공우주국 — 달의 조석 고정
• 미국 항공우주국 과학시각화스튜디오 — 달의 자전
• 미국 항공우주국 — 달의 위상과 칭동
• 미국 항공우주국 우주교육자료 — 달의 뒷면과 기본 특징
• 미국 항공우주국 고더드우주비행센터 — 달의 칭동 설명

 

→ 지난 포스팅 달의 모양이 바뀌는 이유도 함께 보시면 좋을 거 같아요. 

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