며칠 밤 동안 달을 올려다보면 익숙한 무늬가 그대로인 듯 보입니다. 어두운 달의 바다가 넓게 펼쳐진 같은 면이 지구를 향하고 있어 달이 자전하지 않는 것처럼 느껴질 수 있습니다. 하지만 달은 자전합니다. 지구를 한 바퀴 공전할 때마다 축을 중심으로 한 바퀴 자전합니다. 조석 고정이라고 하는 이 동기화 때문에 우리는 달의 모든 면을 차례로 보는 대신 거의 같은 반구를 보게 됩니다.
반대쪽 반구는 흔히 뒷면이라고 불립니다. 이곳이 늘 어두운 것은 아닙니다. 달의 주기에 따라 달 표면 대부분에는 서로 다른 시점에 햇빛이 비치지만, 깊은 극지 분화구 중에는 영구적으로 그늘진 곳도 있습니다. 달 궤도의 기하학적 구조와 자전, 그리고 작게 나타나는 흔들림이 우리가 볼 수 있는 모습을 설명해 줍니다.
한 번 자전할 때 한 번 공전
달은 먼 별을 기준으로 한 바퀴 자전하는 데 27.32166일이 걸리고, 지구를 한 바퀴 공전하는 데도 27.32166일이 걸립니다. 두 주기가 같기 때문에 대체로 같은 면이 지구를 향합니다. 달이 전혀 자전하지 않는다면 궤도에서 달의 위치가 바뀌면서 서로 다른 경도 부분이 보일 것입니다. 하지만 달은 공전하는 동안 꾸준히 자전하며 궤도 운동에 보조를 맞춥니다.
달을 향해 얼굴을 둔 채 사람 주위를 한 바퀴 도는 모습을 떠올려 보면 이해하기 쉽습니다. 한 바퀴 도는 동안 몸을 한 번 돌려야 하지만, 바라보는 사람에게는 내내 머리의 같은 쪽이 보입니다. 지구의 지표에 달의 자전을 쉽게 알아차리게 해 주는 기준점이 없기 때문에, 달의 자전은 밤마다 관찰해도 눈에 잘 띄지 않습니다.
27.32166일인 자전 주기는 보름달에서 다음 보름달까지 걸리는 시간과 다릅니다. 한 위상 주기는 29.53059일입니다. 달이 지구를 공전하는 동안 지구와 달이 이루는 계도 태양 주위를 움직이기 때문입니다. 한 바퀴 공전한 뒤에도 달은 태양과 지구에 대해 같은 위치에 다시 놓이려면 조금 더 나아가야 합니다. 달의 위상을 설명하는 안내에서는 태양과 지구, 달 사이의 각도가 달라지면서 우리가 보는 위상이 어떻게 생기는지 설명합니다.
조석력이 달의 자전을 동기화한 과정
조석 고정은 중력이 회전하는 천체에 오랜 시간 작용한 결과입니다. 지구의 중력은 지구에서 가까운 달의 면을 먼 쪽 면보다 더 강하게 끌어당깁니다. 이 차이로 달은 약간 늘어나 조석 변형이 생깁니다. 달의 자전과 공전이 동기화되어 있지 않았을 때는 이 변형이 지구와 달을 잇는 방향과 정확히 일치하지 않았습니다. 그 결과 생기는 중력 토크가 달의 자전을 바꾸었고, 내부 마찰은 회전 에너지를 소산시켰습니다.
시간이 흐르면서 이러한 효과로 달의 자전은 느려졌고, 결국 한 번 자전하는 데 한 번 공전하는 것과 같은 시간이 걸리게 되었습니다. 이 동기화된 상태에서는 조석 변형이 지구와 거의 같은 방향에 놓이므로 자전을 바꾸던 반복적인 토크가 훨씬 작아집니다. 조석 고정은 한쪽 면을 움직이지 못하게 붙들어 두는 특별한 힘이 아닙니다. 자전과 중력, 에너지 손실이 만들어 내는 안정된 상태입니다.
조석 효과는 지금도 지구와 달의 계에 영향을 줍니다. 조석 상호작용으로 계 안에서 각운동량이 이동한 결과, 달은 매년 약 3.8센티미터씩 지구에서 멀어지고 있습니다. 한 번의 관측으로는 정확한 움직임을 볼 수 없지만, 이 현상은 달의 고정된 자전과 궤도 및 자전 사이의 지속적인 교환이 서로 연결되어 있음을 보여 줍니다.
달의 뒷면은 어두운 면이 아니다
달의 뒷면은 단지 지구 반대쪽을 향하는 반구입니다. 달이 지구 주위를 공전하므로 이 면에도 앞면과 마찬가지로 햇빛이 비칩니다. 보름달일 때는 앞면이 빛을 받고 뒷면은 대체로 태양 반대쪽을 향합니다. 삭일 때는 뒷면이 빛을 받는 동안 앞면은 대체로 어둠 속에 놓입니다. 달이 위상을 바꾸면서 이 과정은 반대로 반복됩니다.
다만 달의 모든 지점에서 햇빛과 어둠이 번갈아 나타나는 것은 아닙니다. 극지방에서는 태양이 지평선 위로 낮게 떠 있습니다. 깊은 분화구 바닥 중에는 분화구 가장자리에 가려 햇빛이 전혀 닿지 않아 영구 음영 지역으로 남는 곳도 있습니다. 이런 예외적인 장소는 지형과 낮은 태양 고도 때문에 생기는 것이지, 달의 뒷면에 있어서 그런 것이 아닙니다.
따라서 ‘달의 어두운 면’이라는 표현은 오해를 부를 수 있습니다. 일상적인 말로 달의 뒷면을 가리킬 때 쓰이기도 하지만, 햇빛을 전혀 받지 않는 반구라는 뜻은 아닙니다. 한 주기 동안 달의 위상 날짜와 시각이 어떻게 바뀌는지 알아보려면 월별 달의 위상 달력을 이용해 보세요.
작은 흔들림으로 표면을 더 볼 수 있다
시간이 지나도 지구에서 달의 정확히 절반만 보이는 것은 아닙니다. 달의 궤도는 약간 타원형이어서 공전 속도가 달라집니다. 지구에 가장 가까이 접근할 때는 더 빠르게 움직이고, 멀리 있을 때는 더 느리게 움직입니다. 달의 자전 속도는 거의 일정하게 유지되므로 공전 속도가 변하면 달이 좌우로 조금 흔들리는 것처럼 보입니다. 이렇게 겉보기로 나타나는 운동을 경도 칭동이라고 합니다.
위도 칭동은 다른 원인으로 생깁니다. 달의 자전축은 황도면에 대해 1.54도 기울어져 있고, 달의 궤도는 황도면에 대해 5.14도 기울어져 있습니다. 이 두 각도 덕분에 달이 궤도의 서로 다른 지점을 지날 때 관측자는 달의 북극이나 남극 너머를 조금 더 볼 수 있습니다. 달과 지구 관측자 사이의 거리와 관측자의 위치도 보이는 모습에 약간 영향을 줍니다.
칭동으로 달의 뒷면 전체를 한꺼번에 볼 수 있는 것은 아닙니다. 시간이 지나면서 겉보기 가장자리 너머를 살짝 엿볼 수 있을 뿐입니다. 지구에서는 달 표면의 약 59퍼센트를 어느 시점엔가 볼 수 있지만, 한순간에 보이는 면적은 달의 절반을 넘지 않습니다. 이러한 느린 모습의 변화 때문에 정교한 달 표면 지도는 일반적인 관측에서 중심에 보이는 면보다 더 넓은 영역을 담고 있습니다.
지구에서 관찰할 점
이 효과를 관찰하는 좋은 방법은 달 가장자리 부근의 알아보기 쉬운 지형을 서로 다른 날짜에 비교하는 것입니다. 칭동에 따라 겉보기 가장자리가 이동하므로, 가장자리 가까이 있는 분화구나 어두운 평원은 어떤 날에는 다른 날보다 더 많이 드러나 보일 수 있습니다. 망원경이나 쌍안경이 없으면 변화가 미묘하며, 하늘에서 달의 방향이 달라지는 것도 비교를 어렵게 할 수 있습니다. 같은 지형을 기준으로 삼고 비슷한 위상일 때의 모습을 비교해 보세요.
관측 시점뿐 아니라 지구상의 위치에 따라서도 보이는 모습이 달라집니다. 도시별 달 대시보드에서는 현지의 달 위상과 조도, 월출과 월몰, 고도와 방위각, 거리, 현지 날씨를 고려한 하늘 전망을 확인할 수 있습니다. 관측 계획을 세우려면 달을 관측하기 가장 좋은 시간에 관한 안내에서 위상과 현지 조건에 따라 달이 지평선 위에 떠 있는 시간이 어떻게 달라지는지 살펴보세요. 달의 동기화된 자전 덕분에 익숙한 면이 계속 우리를 향하고, 칭동 덕분에 끈기 있게 관찰하는 사람은 그 너머를 조금씩 볼 수 있습니다.