밤하늘에 뜬 달을 본 적이 있나요? 달은 눈썹 같은 초승달, 부채 모양의 반달, 동그란 보름달 등 다양한 모습으로 변화합니다. 인류는 달의 위상이 주기적으로 변한다는 사실을 이용해 달력을 만들었습니다. 농경을 시작한 인류에게 날씨의 변화를 예측할 수 있는 달력만큼 중요한 것은 없었죠. 그런데 달을 보면서 이상함을 느낀 적은 없나요? 위상은 다양하게 변하지만, 달 표면의 무늬는 항상 똑같습니다. 왜 그런 걸까요? 지구에서 보이는 달의 표면을 앞면이라고 부르고, 그 반대편을 뒷면이라고 부릅니다. 밤하늘의 천체 중 앞면과 뒷면을 구분하는 천체는 달이 유일합니다. 호모 사피엔스가 지구상에 출현한 뒤 달의 뒷면을 보기까지는 수십만 년이 걸렸습니다. 처음으로 달의 뒷면을 본 사람은 1968년 인류 최초로 달 궤도에 다녀온 아폴로 8호의 우주 비행사 프랭크 보먼, 짐 러블, 윌리엄 앤더스입니다. 이들은 달의 뒷면을 촬영하며 달의 지평선에서 지구가 떠오르는 장면을 사진으로 남겼습니다. 지구에서 관측할 때 달을 제외한 모든 천체는 시간에 따라 표면의 다른 부분이 보입니다. 목성도 어떤 때는 대적반이 보이지만, 어떤 때는 볼 수 없죠. 천체가 자전하기 때문입니다. 우주에서 지구를 본다고 상상해 봅시다. 지금 아시아 대륙이 보입니다. 중국, 한국, 일본이 나란히 보이죠. 시간을 6시간만 돌려 볼까요? 이제는 중동과 유럽 지역이 보입니다. 지구는 자전하기 때문에 우주에서 보면 표면이 계속해서 변합니다. 다른 천체도 마찬가지입니다. 그러면 달은 자전하지 않는 걸까요? 아닙니다. 달 역시 자전합니다. 하지만 지구를 공전하는 속도와 똑같은 속도로 자전하기 때문에 지구에서 항상 같은 면만 보입니다. 달의 공전과 자전의 주기는 정확히 일치합니다. 만약 약간의 차이라도 생긴다면, 1년만 지나도 우리는 달의 다른 면을 보게 될 겁니다. 어떻게 이런 우연의 일치가 생겼을까요? 사실 대부분의 위성은 공전 주기와 자전 주기가 일치합니다. 목성의 위성 가니메데의 공전과 자전 주기는 7.15일로 일치하고, 토성의 위성 타이탄의 공전과 자전 주기는 15.945일로 동일합니다. 이 현상을 조석 고정이라고 합니다. 조석 고정은 조석력으로 인해 생깁니다. 조석력은 중력이 천체의 가까운 부분에 더 강하게 작용하고, 먼 부분에는 더 약하게 작용하기 때문에 발생합니다. 달의 경우 지구에 가까운 부분이 지구 쪽으로 더 강하게 당겨져 먼 쪽과 가까운 쪽 사이에 당겨지는 힘의 차이가 발생합니다. 따라서 극 쪽에서 내려다본 달은 지구 쪽으로 길쭉한 타원 모양입니다. 여기서 긴 축 방향을 장축 방향이라고 합니다. 달의 장축 방향이 지구의 중심을 향할 때는 매우 안정적입니다. 장축의 끝부분에 가장 강한 힘이 작용하기 때문이죠. 그런데 달의 자전 속도와 공전 속도가 다르면, 장축의 방향이 바뀝니다. 이때 지구의 중력은 장축의 지구 쪽 끝부분을 지구 중심 방향으로 강하게 잡아당깁니다. 지구 방향으로 당기는 힘은 달 표면 물질의 응력과 달의 중력으로 상쇄됩니다. 따라서 장축 방향을 지구 중심으로 향하게 만드는 힘만 남습니다. 그 결과 달의 장축은 다시 지구 중심을 향합니다. 지구에서 달을 보면 항상 같은 면만 보이는 이유지요. 반대로 달에서 지구를 보면 어떨까요? 달의 앞면에서 볼 때 지구는 항상 같은 위치에 떠 있습니다. 반면 달의 뒷면에서는 평생 지구를 볼 수 없습니다. 달에서는 지구가 뜨지도 지지도 않는 것이지요. 물론 지구가 자전하므로 달의 앞면에서는 지구의 모든 면을 볼 수 있습니다. 조석고정은 달 탐사선에 매우 큰 영향을 끼칩니다. 달의 앞면에서는 안테나를 지구 쪽으로 설치하면 언제든지 통신할 수 있습니다. 지구가 언제나 같은 위치에 있으니 안테나 방향을 바꿀 필요도 없습니다. 하지만 뒷면에서는 항상 달이 지구를 가려 통신이 불가능합니다. 그래서 2019년 1월 3일, 중국의 달 착륙선 창어 4호가 최초로 달의 뒷면에 착륙하기 전까지 모든 달 착륙선은 달의 앞면에만 내려앉았습니다. 창어 4호는 궤도상의 통신 위성을 이용해 지구와 통신했습니다. 인류가 달 기지를 건설한다면, 달의 앞면에 세울 가능성이 매우 높습니다. 지구와의 통신이 훨씬 더 유리하기 때문이지요. 미래에 여러분이 달로 관광을 간다면, 하늘에 가만히 떠 있는 지구를 볼 수 있을 것입니다. 상상만 해도 짜릿하지요?