月球（英文名：Moon）即地卫一，俗称月亮，是环绕地球运行的一颗固态卫星，也是离地球最近的天体，是地球唯一的天然卫星。[7]月球基本上是个圆球体，平均直径约为3476公里，直径约等于地球的1/4，质量是地球质量的1/81，表面重力只有地球的1/6，相对于所环绕的行星，它是体积和质量最大的卫星，并且是太阳系中第五大的卫星，也是太阳系内密度第二高的卫星，仅次于木卫一。[8][6]月球的轨道平均距离约为 384400 km ，是它直径的30倍。月球总是用它的近侧面对地球，被潮汐锁定在地球上。这导致农历月的长度与其日相同，为 29.53天，月球在地球上施加相当大的力量，它和太阳在较小范围内是潮汐的主要驱动力。[5][9][10][6]
月球自身没有亮度，只能通过反射太阳光来发光，从地球上观测是除太阳以外最亮的天体，但月球的反照率只有0.07，其余93％都被月球表面吸收了。[6]月海、月陆、环形山、辐射纹等构造了其表面地形，内部结构由月壳、月幔、月核等组成。[11][12]有关它的起源有几种假说，但没有一种能完全地解释，最被普遍认可的是大碰撞说，该假说推测在距今45亿年前，一颗约火星大小的天体(学术界称之为“忒伊亚，Theia”)和原始地球发生了碰撞，原始地球的部分物质被巨大的撞击力抛射到地球轨道附近，形成了原始月球。[13]月球绕着地球转动，日地月三者的相对位置在不断发生变化，月球自转轴与白道面法线交角为6.687°，自转方向与绕地球的轨道运动方向相同。这让月球被照亮的部分也在随之改变，所以地球上可以看到月相盈亏圆缺，人们将月全食、月偏食、半影月食等统称为月食现象。[4][14][15]
对于人类来说，月球一直是灵感和知识的重要来源，对宇宙学、自然科学和太空飞行至关重要。[16]1959年1月2日苏联发射了“月球”1号，是飞经月球附近的第一个人造天体；[17][18]1962年12月，联合国大会政治委员会将外层空间纳入国际法准则，在探索中加强国家之间的合作；1967年1月27日，联合国最终制定管理国家太空探索和利用活动的条约原则，包括月球和其他天体，由美国、苏联和英国共同签署。[17][19]1969年7月20日，美国发射的阿波罗11号成功地登上月球，尼尔·阿姆斯特朗与巴兹·奥尔德林成为最先登陆月球的人类，此后，又有５艘阿波罗飞船成功完成登月任务，总共有12名航天员分6批成功登上月球。[18][20]自从2004年，日本、中国、印度、美国、俄罗斯和欧洲空间局都发射了绕月卫星，这些太空探测器确认了月球极区上永久阴暗的坑穴的土壤中有水冰的存在。[21][22][23][24][25]2019年中国的探测器嫦娥四号首次登陆月球背面进行勘察，次年嫦娥五号携带月壤样本于2020年12月17日返回地球。现在人类有载人重新登陆探测月球的计划，例如美国重返月球计划、中国探月工程等已经确定实施，但细节均在研议阶段，短时间内还未能成行。[9][16][26][27]现在在外太空条约下，月球依然是所有国家以和平的用途可以自由前往探测的场所。[19]
命名和语源
东汉许慎在《说文解字》一书中分析月的字型时说：月，阙也。[2][28]
英语中月的专有名称是“Moon”。该名词源于原始日耳曼语的“mǣnōn”，在725年之前的古英语被称为”mōna”，1135年为“mone”，大约在1380年变为“moone”，之后再变成现在的写法。[1]月球在现代英语的主要形容词是“lunar”，源自拉丁文的“Luna”。[3]另一个比较不常用的形容词是“selenic”，则源自古希腊文的“Selene”（Σελήνη），是衍生自字首“seleno-”（像是“selenography”）。[29]古希腊塞勒涅（Selene）和古罗马的狄安娜（Diana）或称辛西娅（Cynthia）的女神都是月球的名字。[29][30]辛西娅和塞勒涅是反映月球处于不同轨道期如远月点、近月点的专门术名，狄安娜一名连接死亡，意指白天。[29][31]
月球
月球的地点起名主要有官方编订和个人申请两个途径，官方编订由国际天文学联合会（IAU）的行星命名小组给月球主要地貌起名并直接成为官方名称；个人或组织如因科研需要可以向IAU的月球地理实体命名专门工作组申请，申请通过后，将提交给IAU的行星系统命名工作小组，依据不同情况分类审核，审核通过后，申请名称会成为官方名称。[32]
月球
2020年12月1日，嫦娥五号在月球正面预选着陆区着陆。国际天文学联合会日前批准中国提议在嫦娥五号降落地点附近的8个月球地貌的命名申请。至此，月球上的中国地名达到了35个。[33][32]
月球的形成
传统的行星-卫星理论难以解释月球的上述特征。因此，针对月球起源提出了四种假说：捕获说，同源说，分裂说和大撞击成因假说。前三类假说，或与天体力学相矛盾，或与现有的地球和月球的化学特征不一致。大碰撞假说是目前月球起源的主流观点。[34]
详解月球起源的四大假说
同源说
主张这一假说的科学家认为，在原始太阳星云内，温度和化学成分取决于与太阳的距离。太阳系的各个行星是在星云中不同的区域、由不同化学成分的星云物质凝聚、吸积而形成的。月球与地球在太阳星云中相距较近，形成过程相似，属于同时形成的“兄弟”。对于地球与月球成分上的差异，他们解释说，形成行星时，开始是凝聚、吸积并形成以铁为主要成分的行星核，金属核进一步增长之后，星云中残留的非金属物质才凝聚，月球就是地球形成后剩下的残余物质所组成的。同源说力图合理解释地球与月球成分差异和月球的核、幔与壳的组成，但其模式与太阳星云的凝聚过程和地月系的运动特征不尽相符。因此，这一假说的合理性不高。[4]
同源说概念图
浮获说
主张俘获说的科学家认为，地球和月球处在太阳星云的不同部位，由化学成分不同的星云物质凝聚而形成。月球原来的运行轨道与地球的轨道面交角很小（约5度），当月球运行到地球附近时，在地月距离为10个地球半径的范围内，月球可能被地球俘获而成为地球的卫星。著名有天文学家阿尔芬认为，月球曾经是一个独立的行星，月球被地球俘获时，与地球的距离大约为26个地球半径，与地球的平面的交角为149度。如果月球进入地球的洛希极限，潮汐会产生很强的非均一重力场，月球表面的岩石将会破碎，并进入月球运行的轨道空间，大部碎片物质又返回月球，撞击月球，在月表产生大量的月海盆地。月球正面在39亿年前发生的开凿月海事件——雨海事件也许是俘获说的重要证据。通过地月轨道的精细计算及激光测距的数据表明，现今月球的轨道愈来愈远离地球，每年后退约3.8厘米。不过，俘获说只能解释部分观测事实，因此不断有人另辟蹊径，提出新的假说。[4]
地月俘获说概念图
分裂说
月球的分裂说坚持月球是地球的亲生子女，即月球是从地球中分裂出来的。坚持这一假说的科学家认为，在地球形成的早期，地球呈熔融态，由于潮汐共振作用，地球自转不稳定，即使只考虑地球和月球的角动量，当时地球自转的周期也仅有4小时，加上太阳的潮汐作用，地球的自转周期可缩短到2小时，因此有理由相信，在地球历史的早期，地球飞快地旋转，其自转速率比现在要高得多。若初期的地球是熔融状态，地球物质在地赤道面上将出现膨胀区，使在赤道面上的一部分熔体分离，或者说这部分熔融物质在地球高速自转情况下从赤道区被甩了出去，甩出去的物质在地球附近的行星际空间凝聚，冷凝后形成月球。不过，由于这一假说与地月系的基本特征不相符，现在已经被大多数科学家所摈[bìn]弃。[4]
地月分裂说概念图
大碰撞说
根据这个假设，最初的地球和一个像是火星一样的物体在太阳系太阳系的早期就已经成型了。这两颗星体在进化过程中，形成了以铁为主的金属核，以及由硅酸盐构成的地幔和地壳。以一种不同的方式撞击到地球上，让它喷射出很多物质，这些物质被送到太空中，在围绕着地球运行轨道上过程中，重新组合成一个单独的固态物质，就是月球。[4][34][35]
大撞击说概念图
月亮在围绕着地球运行的同时围绕着太阳运行。月球在天体上的相对于众恒星的视运动是非常明显的。月亮绕着地球转动的轨道面与天球的大圆相交，也就是月亮在天球上的视运动轨迹，叫做白道。[36][37]
大碰撞成因模型示意图
支持大碰撞假说的观测有很多。[38]首先碰撞后产生的巨大热量使挥发份迅速逃逸，导致月球相对地球贫挥发份；其次月球（月核除外）主要是由贫铁的硅酸盐熔体-气体盘凝聚吸积而成，而且地核中加入Theia核中的大部分金属，导致月球整体相对地球贫铁；大撞击产生的巨大能量也为岩浆洋的形成提供了一个可靠的能量来源；此外，现今地轴的倾斜也可以用大撞击模型来解释。Cameron and Ward(1976)计算发现地月系统的角动量相对于太阳系中其它行星来说很大，从物理的角度限制了大撞击成因模型，并推算出撞击体的大小和火星相近。 经典大撞击成因模型指出，撞击之后以洛希极限（Roche limit,约2.9个地球半径）为界，分别形成内盘和外盘，均为硅酸盐熔体-气体盘。外盘物质通过重力吸积和碰撞形成月球，经计算这段时间仅需约100年的时间，而内盘物质最终回归地球。 [34][38]
大撞击成因模型SPH数值模拟结果（SPH指光滑粒子流体动力学方法）
物理特性
基本属性
月球基本上是个圆球体，平均直径约为3476公里。[4]地球直径是月球直径的3.6倍。月球的表面积有3800万平方公里，大约是中国陆地面积的4倍。月球的体积仅为地球的1/49。月球的质量约7.35x1022kg，相当于地球的1/81，由于质量小，产生的引力就小，月球的表面重力只有地球的1/6。月球绕着地球公转，有时近有时远。最近时约36万公里，最远时约40万公里，平均距离约为384400公里，相当于绕地球赤道走10圈。月球本身并不发光，只是因为表面反射太阳光而发亮。从天文学角度来说，月球的反照率只有0.07，它只反射了照射到它上面的太阳光的7％，其余93％都被月球表面吸收了。与太阳亮度相比，月球的平均亮度只有太阳的1/465000。[4][6]在地球上，除了太阳之外，月球是人类肉眼能够看到的最大最亮的天体。月球绕着地球转动，日地月三者的相对位置在不断发生变化，这让月球被照亮的部分也在随之改变，所以我们会看到月相盈亏圆缺。[14][15][39]
月球
月球是地球的同步自转卫星，它绕轴自转的周期与绕地球的公转周期是相同的，这使得它几乎永远以同一面朝向地球。它之前以较快的速度旋转，在后来由于地球产生潮汐摩擦，让其自转速度减慢，直到最后以同一面持续面对地球，即潮汐锁定。我们将月球朝向地球的一面被称为正面，而相对的另一面则称为背面，背面通常也称为”暗面”，但是事实上它如同正面一样会被照亮。当月相为新月时，我们看到月球的正面是黑暗的，而月球的背面则被太阳照亮。[40][41]
表面地形
科学家曾经使用激光测高仪和立体影像分析对月球表面的地形进行测量， 月球表面最明显的地形特征是位于背面的巨大撞击坑南极-艾托肯盆地，其直径有2240公里，是月球上最大的陨石坑，也是太阳系中已知最大的。它的底部是月球上海拔最低的地方，深度达到13公里，月球海拔最高的地点则正好就在它的东南方，有人认为这个区域是造成南极-艾托肯盆地的撞击所形成的隆起。月球上的其它大撞击盆地，如雨海、澄海、危海、史密斯海和东方海等，也都拥有低海拔的区域和高耸的边缘，月球背面的平均高度比正面高1.9公里。[42][43][44]
月球的表面高程图
月海
从伽利略的望远镜观测时代开始，人们就发现月球表面的中西部区域发暗，并认为月球像地球一样存在海洋，因此将这些暗色区域命名为月海（Stanley） 。后续的月球探测发现，月球表面并不存在海洋，这些月海其实是月球火山喷发形成的富含铁元素的玄武岩 （Nealand Taylor） 。[6][13]月海中的玄武岩含有丰富的铁，而完全缺乏因水流过而出现的矿物，大多数喷发的熔岩浆流入与撞击盆地相连接的洼地，形成月海，盾状火山和火山穹顶是熔岩浆凝结形成月海的证据。[45][46][47]海是肉眼所看到的月球表面上暗淡的黑斑，它们是月球上广阔的平原。在月球正面，月球海共有22个，面积约占整个月球的一半。其中最大的叫风暴洋，[46]它们是伽利略首先发现的，1609年，伽利略用望远镜观测月球时，看到月面上亮的部分是山，就根据地球上有山有水的自然景色，把这些暗黑的部分想象为海洋，并给予“云海”“湿海”和“风暴洋”之类的名称。[11]
月海
火山地形
在月球表面上用肉眼可以清楚看见有黑暗的，相对平坦的平原，这是因为古代的天文学家认为这些地方充满了水。这些黑暗部分是古代火山爆发后熔岩浆在洼地凝结成的广大玄武岩，和地球的玄武岩类似，科学家已经在月球正面的月海中发现几个拥有盾状火山和火山穹顶的地质分区。[45][46][47]月球上的火山活动是月幔部分熔融产生的岩浆， 月海玄武岩是月球火山活动最主要的产物，覆盖了大约17%的月球表面，占月壳体积的1%。[6][13]
月谷
月球表面一种地形构造。月面上不少地区发现一些大裂缝，弯弯曲曲延伸数百公里，宽几公里到几十公里，好像浩浩荡荡奔赴海洋的河流，形状与地球上的东非大裂谷相似，因而称之为月谷。较宽大的月谷大多出现在月陆上较平坦的地区；最大的里塔月谷位于南海东北部，詹森环形山东面的月陆上，总长达500公里；最宽的莫希拉米月谷在东海盆地南部，巴德环形山附近的月陆上，约有40～55公里。最著名的月谷是阿尔卑斯大月谷，从柏拉图环形山东南一直“流入”平坦的雨海和冷海，它把月面上的阿尔斯山脉拦腰截断，很是壮观。从嫦娥一号拍摄的照片估算，它长达130公里，宽约10～12公里。月谷往往有一定的走向，它的产生原因是一个很有意义的值得研究的课题。根据月球探测器和阿波罗载人登月获得的资料分析，月谷可能是由顺山而下的岩浆留下的“印迹”。[48]
月陆
月面上比月海高的地区叫月陆，其高度一般在2~3千米，主要由浅色的斜长岩组成。[11]
蓝色的为月海，土红色的为月陆
环形山（撞击坑）
月球表面最显著的特点就是环形山。“环形山”一词源自希腊文，即“碗”的意思。一般将碗型的坑洞称作环形山。最大的环形山是靠近月球南极的贝利环形山，它的直径为295km。所谓“环形山”，指的不是什么山脉，它指的就是那些石质、凹陷的凹坑。因此，在月面上的环形山又被称作“月坑”。[49]
月球上的环形山
平均每天月球都会承受超过3吨宇宙物质的撞击，当中的小行星或彗星撞击月球表面时会形成撞击坑，是另一个主要会影响月球表面地形的主要地质事件。现在估计单在月球正面直径大于1公里的陨石坑就大约有300,000个，其中有些陨石坑以知名的学者、科学家、艺术家和探险家的名字命名。月球地质年代是根据月面上的重大陨石撞击事件进行分界，包括在酒海、雨海和东方海等的撞击事件。这些撞击事件的结构特征是产生多层物质隆起的环，通常是由数百至数千公里直径的围裙状喷发物沉积形成一个区域性的地层视界。[50][51][52]
辐射纹
月球表面上还有一些亮线和暗线。亮线叫辐射纹，是从大环形山向四周辐散的明亮线条，延伸达数千千米。它们是环形山中抛出物的辐散条纹；其中，以第谷环形山和哥白尼环形山的辐射条纹最为优美，在圆月时看得很清楚。暗线是深陷的裂缝，有如地面上的沟谷，被叫作月谷。[11]
月球漩涡
2024年“阿特弥斯计划”人类登陆月球背面，NASA的探测器将研究月球漩涡、地震活动以及薛定谔盆地内部的热流和导电性。这些探测器将在“阿特弥斯计划”任务之前至少向月球发送两批货物。其中一次发射任务是一个着陆器和漫游器的组合，名为“月球顶点”（Lunar Vertex），将在月球的ReinerGamma着陆，这里是月球上最独特和神秘的自然特征之一，被称为月球漩涡。科学家们并不完全了解月球漩涡是什么，或者它们是如何形成的，但他们知道它们与月球磁场相关的异常现象密切相关。[53]
“月球顶点”探测器将使用一个车载磁强计对磁场进行详细的表面测量。月球车收集的月球表面磁场数据将加强航天器在绕月轨道上收集的数据，并帮助科学家更好地了解这些神秘的月球漩涡是如何形成和演变的，以及进一步了解月球的内部和核心。[53]
表面地质
月球表面的化学元素分布极不均。按照其丰度依次为：氧、硅、铁、镁、钙、铝、锰、钛。氧的含量估计为42%（按重量），碳和氮只有痕迹，似乎只存在于太阳风带来的微量沉积中，氢主要集中在月球的两极。[54]
中国科学院制作的1:250万月球全月地质图
月岩
月球表面主要有四类岩石：月海玄武岩、高地岩石（主要包括斜长岩与富镁的结晶岩套）、克里普岩和角砾岩，且分布不均。[55][34]
月壤
地球土壤是机械作用、化学作用和生物作用的综合产物，而月壤（包括岩石角砾）则主要是机械作用的产物。陨石的频繁撞击，撞击溅射物的不断堆积，宇宙射线的轰击和剧烈的温差促使月表岩石破裂和粉碎，这些机械作用最终形成月壤。月壤的粒度分布很广，但绝大部分颗粒在30微米到1毫米之间，摸起来跟面粉一样细腻。月壤主要由月球岩石碎屑、粉末、角砾、撞击熔融玻璃物质组成。[56]
月壤的化学成分很复杂，其中最有用的是其中含有的大量有用气体资源。太阳风粒子、太阳耀斑粒子的注入，会与月壤物质发生相互作用，形成3He（氦-3）、20Ne（氖[nǎi]-20）、21Ne（氖-21）、22Ne（氖-22）、38Ar（氩[yà]-38）等核素。月壤细粒子粉末中稀有气体含量很高，达0.1～1立方厘米/克（标准状态下），相当于1019～1020原子/立方厘米。月壤中富含硅、铝、钾、钡[bèi]、锂、铷[rú]、锆、铪和稀土元素，月球上还蕴藏着丰富的钛元素，这也是月球上的重要资源。特别值得关注的是月壤中氦-3（氦元素的一种同位素）的含量非常高，由于氦-3是核聚变的理想原料，因此月壤可能为地球和今后月球的开发提供能源。我们知道，氦-3是一种清洁、安全和高效的核聚变发电的燃料，例如，建设一个500兆瓦的氘[dāo]-氦3核聚变发电站，每年仅消耗50千克氦3。一些科学家估算，月壤中氦-3的资源总量约为100～500万吨。在月壤表面还富集有银、溴、镉，镓、锗、汞、铟[yīn]、铅、锑、碲[dì]和锡等元素。由于这些元素的挥发性差异，使得各种元素在月壤颗粒表面的富集程度也有很大的差异。根据返月样品分析，从150微米到小于5微米的颗粒分析表明，其镉、锌、铟、镓的含量变化可达10～20倍，即较易挥发的金属都富集在月壤细小颗粒的表面。[56]
此外，月壤中还含有一定量的陨石成分，分析表明，类似于Ⅰ型碳质球粒陨石的成分在月壤中约占1.5%～2%，这些陨石成分的物质有的是早期大型撞击和开凿月海盆地时陨石成分的加入，有的是年轻月坑的形成过程中陨石成分的加入，有的是微冲击坑形成时由于微陨石的加入而增加了陨石成分。[56]
月球表面各元素相对含量(按重量的%)
芝麻粒大小的月壤，蕴涵二十亿年前的月球活动
内部构造
月壳
月壳是最外层，也是最薄的一层，其厚度约60公里，分为两个部分，一个是下月壳，厚度为25~65公里，由辉长石、富铝玄武岩、斜长苏长岩组成，另一个是上月壳，厚度为2~25公里，主要为玄武岩与非玄武岩。它的表面厚度约为2千米，主要是岩石碎片和月球土壤。[57][11][58]
月球的内部结构
岩浆海洋的结晶将从矿物橄榄石、斜辉石和正辉石的沉淀和下沉中形成镁铁质地幔；在大约四分之三的岩浆海洋结晶后，低密度的斜长石矿物可以形成并漂浮在顶部的地壳中。 最终结晶的液体最初将夹在地壳和地幔之间，具有大量不相容和发热的元素。与这一观点一致，从轨道进行的地球化学测绘表明，地壳主要是斜长石。 由于地幔部分融化而喷发到地表的洪水熔岩的月球岩石样本证实了镁铁质地幔的组成，其比地球的富含铁。地壳平均厚约50公里。[59][60][61]
月幔
在月壳下面到1000公里的地方，是月球中最大的部分，它分为下月幔和上月幔，下月幔的厚度在250千米到1000千米之间，是一个局部的融化状态，上月幔的厚度在65千米到250千米之间，由基性岩和超基性岩组成。[11][57]
月核
月核在最深处，月核厚1000公里，温度大约在1000℃左右，是一种熔化的材料。月球的内核富含固态铁，半径大约为240公里，此外还有一个流体的外核，主要成分是液态铁，半径大约为300公里。核心周围是部分熔融的边界层，约有500公里的宽度。[62][12][63]
重力和磁场
月球表面的引力约为地球的六分之一。月球的重力场已经通过围绕月球旋转的探测器发射无线电信号的多普勒效应所测量的。月球重力场主要的特征是拥有质量瘤，即在一些巨大的撞击盆地却反而出现较重的重力分布，这可能与组成这些盆地的玄武岩熔岩流密度较大有关系，这些异常对环绕月球轨道的太空船有极大的影响，如果经月球这些地域时，假如太空船与月面距离足够低，而且轨道不加修正的话，那么太空船会在数个月或数年间在月球表面坠毁。但令人困惑的是，熔岩流密度本身不足以完全解释重力异常，有一些质量瘤的存在明显和月海中的火山作用形成的熔岩流无关。[64][65]
月球拥有一个外在磁场，其强度不到地球磁场百分之一，范围在1至数百特士拉之间，已发现月球上有类似质量瘤的异常的磁场区。这些磁场区有明显不同于其他地方的磁场强度（但是原因未知）。天体液体金属核心可以生成的全球性双极性磁场，但现在 月球的磁场并不是由液体金属核心产生的，而可能是在月球演化的历史早期被磁化而一直保留至今的地壳磁场，月球磁场另一种可能来源是在大碰撞事件期间生成的瞬态磁场残余的磁化，通过撞击产生的等离子云包围，扩大了磁场的范围，这种说法受到最大的地壳磁场撞击盆地对面出现对跖[zhí]点的支持。[66][67][68]
大气层
月球有一个非常稀薄、接近真空的大气层，总质量低于10公吨，如此小的大气质量在月球表面产生的压力大约是3 × 10−15atm（0.3nPa），数值随着月球一天的时间不同而改变。月球大气的来源包括出气和溅射，如太阳风的离子轰击月球表面释放出的原子。过往曾经检测到由溅射产生的原子包括钠和钾，相同的情况也曾在水星和木卫一埃欧的大气中发现过。月球大气的氦-4来自太阳风，氩-40、氡[dōng]-222和钋-210则来自月球地幔相关元素放射性衰变后的溅射。但月球大气中缺乏存在于月球表岩屑的氧、氮、碳、氢和镁等自然元素的原子或分子，月船1号已经在月球大气中发现水蒸气的存在，其含量随着月球纬度的不同而改变，大约在纬度为60-70度时水蒸气的含量最高。这些水蒸气可能是由月球表面表岩屑的水冰升华而生成，月球大气层的气体有些被月球的重力吸引回到表岩屑，有些由于太阳的辐射压，或者被太阳风的电离后逃逸到太空中。[69]
季节
月球的转轴倾角只有1.54°，远小于地球的23.44°。由于这个缘故，太阳照射对月球季节变化的影响很小，反而是月球表面地形对季节变化有重要作用，2004年，约翰·霍普金斯大学的Ben Bussey博士率领的小组研究克莱芒蒂娜探测器在1994年获得的影像，发现位于月球北极的皮尔斯环形山边缘有4个区域在整个月球日中都被阳光所照亮，形成永昼峰，而在月球南极地区没有类似的区域。而在极区的许多环形山底部是永久黑暗的，没有受到阳光照射，这些黑暗的环形山底部是极低温的：月球勘测轨道飞行器在夏天的南极环形山底部测得的最低温度是35K（−238 °C），而在接近冬至时在北极测得埃尔米特环形山的温度只有26K（−247 °C）。这个温度比冥王星的表面温度还要低，是太空船在太阳系中所测得的最低温度。[70][71][72][73]
水
月球的表面不存在液态水，因为太阳辐射会使水被光解并快速逸入太空。但从1960年代以来，科学家假设由彗星撞击所带来的水、或者来自太阳风的氢和含氧丰富的月岩反应所产生的水，都可能以冰的型态沉积下来，并在月球两极撞击坑低温的永久阴影区留下可以追踪得到的痕迹。[74][75]2022年1月8日，由中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）行星科学团队与上海技术物理研究所、国家空间科学中心，以及南京大学、美国夏威夷大学等多家科研机构合作完成研究，这项研究利用嫦娥五号携带“月球矿物光谱分析仪”所探测的数据，首次获得了月表原位条件下的水含量，来自嫦娥五号探测数据的最新研究显示，1吨月壤中大概约有120克“水”。[25]
与地球的关系
月球是地球唯一的天然卫星，也是太阳系第五大卫星；它与地球的关系在太阳系中极为特殊，其质量达到了地球的八十一分之一，而太阳系其它行星的卫星远远达不到这样大的比例。实际上，地球和月球在围绕着它们的共同质心转动，因此，在天文学上专门将地球和月亮称为“地月系统”并作为一个整体去研究。[76]
轨道
绕地球公转
月亮在围绕着地球运行的同时围绕着太阳运行。月球在天体上的相对于众恒星的视运动是非常明显的，月亮绕着地球转动的轨道面与天球的大圆相交，也就是月亮在天球上的视运动轨迹，叫做白道。[36]月球绕地球公转一周大概需要一个月的时间，也是月球公转的周期。[5]
探测器在月表拍摄的地球
恒星月和朔望月
月球和恒星两次同时出现在同一条直线上的时间间隔被称为恒星月，[77]是月球绕地球转动一圈的时间间隔，1恒星月为27.321661d（平太阳日）。朔望月是月相变化的周期，它是以太阳为基准的会合运动周期，月球与太阳的地心黄经连续两次相同（朔)或相差180（望）的时间间隔，1朔望月为29.530589日。[36]
近点月和交点月
近点月是月球连续两次经过近地点的时间间隔，1近点月为27.55455d，交点月是月球连续两次经过升交点的时间间隔，1交点月为27.21222d。[36]
同步自转
月球绕地球转动的同时还在自转，月球自转轴与白道面法线交角为6.687°，自转方向与绕地球的轨道运动方向相同，自转周期等于恒星月，这称为“同步自转”。[36]
经（度）天平动
由于月球绕地球运动的轨道是椭圆，轨道运动速度不均匀，从处于其轨道焦点的地球上看，不同时间垂直视向的月面经度范围有月球可见表面的这种变化表现为经度方向的摆动，故谓之经（度）天平动，平均摆动可达7°54*，摆动周期为近点月。[36]
纬（度）天平动
由于月球自转轴与黄道面不垂直,在月球公转运动中，自转轴始终保持平行，因此可观测到月球背面南北极6°41`的区域。[78]如右图所示。当月球运动到M时，地球E看见月球的近南极区；而到M时，则看见月球的近北极区。这种可见月球表面的纬度摆动谓之纬（度）天平动。[36]
月球的纬（度）天平动
周日天平动
由于月球离地球较近，在同一时刻，地球上不同地点观测到的月面不全相同，同样原因，同一地点，不同时刻观测到的月面也不完全相同，于是观测者看到月面呈现“摆动”，谓之周日天平动或视差天平动，[78]其幅度较小，仅约1°。[36]
相对大小
月球相对于地球的大小是最大的：直径略大于地球的四分之一，质量约为1/81，就卫星与行星的相对大小比例来说，它是太阳系最大的卫星（虽然冥卫一凯伦与矮行星冥王星相对来说更大）。地球和月球仍然被是一种行星-卫星系统，而不是双行星系统，因为它们的质心，一般所谓的质量中心，位于地球表面之下约1700公里处。[79][80][81]
潮汐效应
月球的存在对于维持地球自转轴的稳定非常重要，而月球引力引起的潮汐作用甚至比太阳还要大。由于“潮汐锁定”的原因，月球的自转和公转速度相同，使得它总是只有一面朝向地球。[76]
地球上的潮汐主要是来自月球牵引地球两侧引力强度的渐进变化的潮汐力造成的。这在地球上造成两处隆起，最明显的是海潮和海平面的升高。由于地球自转的速度大约是月球环绕地球速度的27倍，因此这个隆起在地球表面上被拖曳的速度比月球的移动还快，大约一天绕着地球的转轴旋转一圈。海潮会受到一些影响而增强：水经过海底时的摩擦力与地球自转的耦合，水移动时的惯性，接近陆地的平坦海滩，和不同海洋盆地之间的振荡。太阳的引力对地球海潮的影响大约是月球的一半，它们相互的引力影响造成了大潮和小潮。[82][83][84]
月球和靠近月球一侧隆起的重力耦合对地球的自转产生了一个扭矩，从地球的自转中消耗了角动量和转动的动能。反过来，角动量被添加到月球轨道，使月球加速，使得月球升到更高的轨道和有更长的轨道周期。结果是，月球和地球的距离增加，和地球的自转减缓。通过阿波逻任务安装在月球表面上的月球测距仪，测量月球到地球的距离，发现地月距离每年增加38毫米（虽然每年只是月球轨道半径的0.1 ppb）。原子钟也显示地球的自转的一天，每年约减缓15微秒，在UTC的缓慢增加被闰秒加以调整。潮汐拖曳会继续进行，直到地球的自转速度减缓到与月球的轨道周期吻合。[83][85][86]
月球表面也能体验到周期约27天，振幅约10公分的潮汐，它有两种成分：因为它的同步自转，来自地球的是固定的；和来自太阳的变动，来自地球噵[dào]致的量是天平动，这是月球轨道离心率造成的结果；如果月球轨道是理想的圆，就只会有太阳造成的潮汐。天平动会改变从地球看见的角度变化，使得从地球可以看见59%的月球表面（但在任何时间看见的都略少于一半），这些潮汐力累积的应力会造成月震。虽然每次震动可以持续至一小时以上，明显的比地震的时间长，因为缺乏水来阻尼震动的振幅，但月震不如地震的频繁，也比地震微弱，月震的存在是1969年到1972年的阿波罗太空人安放在月球上的地震仪的一个意外发现。[80][87][88]
作为地球唯一的天然卫星，月球对地球最直接的影响就是潮汐效应，其中最具代表性的是海洋潮汐，除此之外，人们在地壳、大气和电离层等不同高度区域都频繁地观测到月球潮汐现象。以上这些区域中的物质以固、液、气三态为主导，其中的月潮特征是由月球引力直接导致的，且大都以半日和半月周期变化为主。以海洋潮汐为例，如图1中地球表面附近的蓝色部分所示，两个高潮分别出现在月球地方时的正午和午夜侧，即地月连线附近，两个低潮则分别出现在月球地方时的晨昏侧即垂直于地月连线附近。[89]
位置与外观
月相
月相是指在地球上所看到的月球发亮部分的形状，月相的变化顺序是朔一上弦月—望一下弦月一朔。[5]月相周期变化的原因有二：一是月球、地球和太阳的周期性会合运动，它们的相对位置呈现周期性变化；二是月球本身不发射可见光，我们看到的只是月球被太阳照亮的部分。[36]
月球的会合运动与月相变
月龄
月龄是指从新月算起到各月相所经历的天数。相邻两次新月之间的间隔称为一个朔望月，这一周期，在地球上看来是月相盈亏之变，而在月球上，则是长达半月的白天和长达半月的黑夜。[5][90]
食
天文学上用“食分”来表示日食、月食程度，食分大于等于1则为全食。[91]
日食
日食，又可写为日蚀、日噬，指的是当月球完全或部分遮挡太阳光时，在地球上部分地区所能见到的天文现象，为食的一种。日食只有在月球运行至太阳和和地球之间、最接近黄道平面时发生，月球完全遮掩太阳的现象称为日全食，部分遮掩太阳的现象则称为日偏食或日环食。[92]
日环食
日、月、地连成一线，但月球的角直径比太阳小，无法完全遮掩太阳圆盘。太阳未被遮掩的部分呈环形，中间则是月球的阴影。[93]
日偏食
月球只是遮蔽太阳圆盘的一部分。在日全食和日环食期间，地球上只有一条细长的区域能看到全食或环食，地球其余大部分地区则会看到偏食。除此之外，有的日食无论在地球何处都只能看到偏食，那是因为月球投下的本影没有落在地球表面，而是在地球的北极或南极上空。日偏食期间很难察觉太阳亮度的降低，甚至当太阳圆盘99%的面积被覆盖，亮度仍然相当于曙光。[94]
日全食
日、月、地连成一线，月球完全遮掩太阳圆盘强烈的光芒，此时日冕肉眼可见。每次日全食发生时，地球上只有一条细长的区域能看到食甚，此区域称为全食带。[93]
日全食
地球上的日全食，食分最大也就略超过1，而月球上日全食食分会超过1.8。从这一数值也能看出，月球上的日全食比地球“彻底”得多。此外，地球投下的阴影比月球阴影大很多，大到本影区就能包裹住整个月球的程度。因此，不同于地球上的日全食需在特定区域才能看到，在月球上，整个朝向地球的那一面都能同时看到日全食。[91]
由于地球表面有大气层月球表面没有，地球和月球上的日全食景象也有细微的差别。月球没有大气层，因此地球上看到的日全食是整个日面被遮挡后呈现出的完全黑色。而地球大气层会把太阳光中波长较短的紫、蓝、绿、黄光等吸收或散射，波长较长的红光则容易被折射至月球表面。因此月球发生日全食时，可以看到“黑色地球”的边缘被一圈红色光晕包裹。[91]
月食
月食是一种比较普遍的现象，地球在背着太阳的方向出现的一道影子，叫做地影。地影分本影区和半影区：本影区是不会被太阳直接照射的，而半影是被太阳光直接照射的部分区域。在日月会运动中，月球进入到与太阳相反的位置（即望日），而日、地、月三球正好或接近一条线时，月球进入到地球的影子，在地球上处于夜半球地区的人们，看不见或看不全月球的现象，就是所谓的“月食”。[15][14]
月食现象
月全食
整个月球进入地球的本影之时，就会出现月全食。[15]在月全食时，太阳光受地球大气层的折射后投射到月面上，使月面呈红铜色。[15]
月偏食
当月球只有部分进入地球的本影时，就会出现月偏食。[15]
半影月食
如果月球未进入本影而是进人半影区域，太阳的光也可以被遮掩掉一些，月亮略为转暗，但它的边缘并不会被地球的影子所阻挡，这种现象在天文上称为半影月食。[15]
生命可能性
关于在一个星球上是否可能有生命存在的讨论，主要需要考虑三个关键因素：液态水、一系列生命必需元素（如C、H、N、O、P、S等）以及生命产生与存在所需要的某种形式的可利用能量。回观月球，其环境相比于地球来说极端恶劣。[95]
首先，月球没有大气层。其表面大气压只有地球的十亿分之一，几乎处于真空状态。由于缺少大气层的保护，月球表面昼夜温度相差巨大，“阿波罗15号”在其登陆点探测的月球表面温度最高为374 K（~101℃），最低为92 K（~零下181℃）；而且，月球表面紫外线等宇宙辐照强烈，特别是在太阳风暴期间，太阳紫外线长驱直入，起到了消杀作用。[95][96][57]
其次，月球表面至今未发现液态水。月球像地球一样，表面覆盖着一层由疏松的颗粒状岩石构成的物质，被称为月壤层。通过对月探测和月球样品进行分析，科学家们发现月球两极地区存在氢元素富集的现象，氢元素富集可能是源于太阳风注入的氢或一些矿物所含的羟基，也有可能是水冰（由水或融水在低温下固结的冰）以细颗粒形式与月壤混合共存所导致，这是月球存在水的直接证据，但遗憾的是，目前尚未在月球上发现液态水。[95][96][57]
最后，月壤中缺乏目前已知的碳基生命所必需的元素。我国科学家对CE３玉兔号月球车粒子激发X射线谱仪(APXS)所获取的数据分析结果显示，其着陆点月壤的元素组成主要包括Si、Ca、Al、Mg、K、P、S、Fe、Ti、Ni、Cr、Mo、Sr、Y、Zr、Nb16种元素，但缺乏生命必需的C和N等元素。因此，总体而言，月球上存在本土生命的可能性微乎其微。 [95][57]
至少没有生命保障系统的呵护的情况下，人类是无法在月球表面长期生存的。强烈的宇宙高能射线和至少300摄氏度的温差会让所有登月的人殒命。1969年，伴随阿波罗11号载人登月飞船落在月球静海内，之后月球车、月震仪、激光反射镜这些科学仪器通过6次载人登月活动被运到了月球表面，它们为人类了解月球的演化提供了详实的科学资料。[97][57]
除了这些精密的仪器，登月宇航员还将96包人类排泄物“暂时”留在了月球。之所以说是“暂时”，是因为随着人类深空视野的扩展，急需了解生物在宇宙真空环境中的生存情况。而这几十千克被遗弃在月球的排泄物，有可能滋生细菌和微生物。50余年中，在极其苛刻的环境下，这些“小生命”现在的状态引起了生物学家越加浓厚的兴趣。对于这些排泄物的研究，将使人类了解生命体在宇宙环境中长时间存在产生变异的情况，从而帮助我们更好地设计宇航服、太空舱甚至太空基地。[97][57]
早在1971年的一项研究表明，在由“阿波罗12号”带回地球的早期的月球探测器“勘测者3号”的电视摄像机内部（“勘测者3号”发射于1967年，在月球停留两年半）发现了一种细菌——轻型链球菌（Streptococcus mitosis），数据显示该菌在“勘测者3号”着陆月球之前就已经存在，在发射前真空测试期间以及后来在月球表面存在的冻干条件可能有助于这种微生物存活，而相机外壳也给予了微生物一定的保护。[95][57]
事实上，除了摄像机，月球上还有各种人类探月工程的遗留物（如登月舱、电池、宇航员的呕吐袋和排泄物袋以及月球车等，共计接近200吨），其中部分遗留物（如宇航员的呕吐物和排泄物等）中含有丰富的营养物质和水分且处于密封环境，有利于其中微生物的存活。[95][96][57]
经过了月球上极端环境长期的严苛考验，那些源自地球的微生物是否可以存活，它们是否产生了巨大的变异，亦或形成了新的物种，这些问题的解答都还需等待进一步的科学验证，而这些答案将对帮助我们了解这些微小生命的极端环境适应性具有极大的价值，同时也对地外生命的探索具有指导意义。[95][96][57]
观测与探索
起初的观测与探索
古代人类还只是通过肉眼观察月球。在天文学发展的早期天文学家已经对月球周期有深刻的理解：如大约在公元前5世纪，巴比伦天文学家已经知道月食有大约18年的沙罗周期，中国天文学家石申确定了一套预测日食月食的公式。[98][99]
之后，月球的天然形状和月光的成因也被了解，古希腊哲学家阿那克萨哥拉推断太阳和月球都是巨大的岩石球体，而且后者通过反射前者的光来发光。[100]天文学家兼物理学家海什木发现月球不像镜子那样反射阳光，而是从月球表面每一个方向往所有方向发射出去。中国宋朝的沈括创造一个涂上白色粉末的银球反射阳光，来解释月相的变化，而从侧面看时就能呈现眉月的月相。[101][102]
进入17世纪，随着天文望远镜的出现，人类对月球进行更加精细的观测和进行更详细的科学研究。1609年，伽利略首次用天文望远镜观测月亮。20世纪50年代后期，航天技术的不断进步，人们开始了对月球的近距离探索，之后更是到月球上进行实地考察，对航天员从月球上收集到的样本，进行科学的调查。自此，人们对月球的认知与认知发生了巨大的变化。[76]
美国与苏联的探索
1955年，美苏之间的太空竞赛就已萌芽，美国和苏联不仅都建造了可用来发射物体到太空的弹道导弹，而且也都前后发表公报，声称到1957年或1958年将发射人造地球卫星，冷战引起的太空竞赛，加速了人类对月球的探测。一旦发射器有足够的能力，这些国家就发射无人探测器进行飞越和撞击或登陆的任务，两国拉开了太空竞赛的序幕。[17][103]
1959年1月2日，苏联发射了月球1号探测器，月球1号探测器的顺利升空，成为历史上第一个摆脱地心引力的飞行器；同年9月12日，苏联发射月球2号并成功撞击月球的表面，该探测器是首个与月球接触的人造物体。[17]10月4日，月球3号飞到月球背面，并拍摄了月球的第一张“背面照。[18]
1959年3月3日，美国将先驱者4号探测器送上了太空。1964年7月28日，先驱者4号用六台电视摄像机将4316幅月面影像传送到地球。[18]
1966年1月31日，月球9号成功发射升空，经过3.5天顺利登陆了月球，并成为第一个在月球上软着陆的探测器；4天后，传回了一张高分率图片，其中包含了着陆区域的全貌。月球10号于1966年3月31日发射升空，并在数日后绕着月亮转了一圈，成为了第一个环月探测器。[18]
1967年4月3日，美国勘探者3号着陆于月球的风暴洋，它用一根大约1.5米的金属爪，在月球表面挖了一个坑。同年9月，勘探者5号登陆月球，对月面进行了采集和分析，为使人类登上月球，各种探测器被送到月亮表面可以着陆的地方，并进行了一系列的登月试验。[20]
1968年，NASA的阿波罗8号飞船在环绕月球的时候拍摄到了月球背面的图片。[39]
阿波罗8号拍摄的月球背面
1969年7月，苏联N-1号重型运载火箭在拜科努尔发射基地发射66秒后爆炸，N-1号火箭在1972年经历四次试射都以失败告终，这也就导致了苏联不得不停止了人类的登月计划。[18]
1969年7月20日，美国发射的“阿波罗”11号在月球上成功着陆，尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）是第一个登上月球，巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）紧随其后。而后陆续发射的五架阿波罗宇宙飞船相继升空。六个宇宙飞船的18位宇航员中有12位已经登陆月球，他们一共在月球上停留了将近300个小时。获得了大量有价值的数据，共收集了270多公斤的岩石和土壤样本。这是一种对月球物质成分、结构、构造和形成的一种宝贵的资源。[20]
969年阿波罗11号首次载人登陆月球
从1970年9月12日到24日，苏联“月球”16号探测器顺利地进行了月面自动取样，并将101公斤的月表样本送到了地球，这是人类第一次进行了月面主动取样。[18]
1970年到1976年苏联一共发射了五台自行取样的探测器，其中，“月球”16号、20号、24四号取得了月面样本。同年11月10日，苏联发射了携带“月球车”1号的“月球”17号探测器，7天之后，“月球”17号顺利着陆于月面，并进行了一系列的探索。它在月球上工作了301个日夜，行程10.54公里，对80,000平方公里的月表进行了考察，并对500多处月壤进行了物理和力学性能的研究；对25处月壤进行了化学成分的分析，并传回了20,000多份测量资料。[18]
1973年1月8日，前苏联“月球”21号成功的升空，把“月球”2号送入了月面，进行了一次更大规模的月面探测。[18]
1978年，苏联科学家Akhmanova在Luna24任务采集的样品中测量到约0.1 wt.%的水，而该结果未被重视。[22]
更多国家的探索
阿波罗计划之后，更多的国家已经直接参与月球的探测，1990年，日本将太空船Hiten送到月球。[104]
1994年1月25日，由美国国防部和美国航空航天局联合研制的月球探测克莱门汀卫星发射升空。卫星搭载有激光高度计（ClementineLaserAltimeter，CLA）、紫外/可见光相机、近红外相机、远红外相机、高分辨率CCD相机以及激光测距、导星相机等多个探测器。CLA采用全固态Nd:YAG激光器,工作波长为532nm和1064nm，工作方式为单脉冲，不同波长能量分别为171mJ/1064nm和9mJ/532nm，脉冲宽度为10ns，脉冲重复频率为1Hz和8Hz。[105]
1998年，月球勘探者号携带了一台中子谱仪进入月球轨道，探测到大量的氢，模型估计月球极区可能存在数亿吨的水。[22]
2003年9月27日，“智能1号”由欧洲阿丽亚娜-5型火箭搭载从法属圭亚那的库鲁航天发射中心升空，并于2004年11月15日进入月球“大门”，即太空中月球引力作用大于地球引力作用的边界位置，此后探测器不断调整位置并逐渐进入预定月球观测轨道。2006年9月3日，“智能1号”探测器的近月点正好与撞击地点重合。撞击地点位于月球中南纬度的被称为“卓越湖”的火山平原。[24]
2004年，中国正式开展月球探测计划，绕月探测工程立项后组便将其命名为“嫦娥工程”，并将第一颗绕月卫星命名为“嫦娥一号”。中国探月工程用“嫦娥奔月”神话传说中的人物来命名。[106]“嫦娥工程”按计划分为“无人月球探测”“载人登月”以及“建立月球基地”3个阶段。目前已经发射的“嫦娥一号”到“嫦娥四号”探测器，都属于无人月球探测阶段，又分为“绕”“落”“回”三步走。[106][107]
2007年9月14日，日本“月亮女神”绕月探测卫星搭乘H2A-13火箭成功飞天。[23]
2007年10月24日，中国长征三号甲运载火箭托举着嫦娥一号卫星顺利升空，并按预定流程成功星箭分离。11月5日，嫦娥一号卫星进入近月点200公里的椭圆环月轨道，正式成为中国第一颗月球卫星。11月12日，根据中国首颗探月卫星嫦娥一号获取数据制作完成的“中国第一幅全月球影像图”正式亮相。据介绍，这也是迄今为止世界上已公布的月球影像图中最完整的一幅影像。[108][109]
2009年6月，美国月球勘测轨道飞行器（LRO）和月球陨坑观测与遥感卫星(LCROSS)由“阿特拉斯”V型火箭发射升空。LRO携载7台科学仪器，主要目标是搜寻月球表面适宜载人探测器登陆的地点、勘测月球资源、观察月球辐射环境以及收集有关月球地质演化的线索。借助它传回的图像，科学家们可以绘制高清三维月球地图，发射LRO和LCROSS是美国“重返月球”计划的第一步，将为美国下一步载人探月以及探索太阳系提供重要数据。[110]
2011年8月25日，嫦娥二号卫星受控准确进入距离地球约150万公里远的、太阳与地球引力平衡点——拉格朗日L2点环绕轨道。[111]“嫦娥二号”成为“嫦娥三号”先导星，先验证了一部分关键技术，又对预选降落区域进行了探测。随后于2013年发射的“嫦娥三号”实现了月球软着陆，这也是中国航天器首次降落在地球以外的天体。[106]
地形地貌相机拍摄的巡视器正面图像
2013年11月26日，嫦娥三号巡视器月球车命名“玉兔号”。[112]2013年12月2日，嫦娥三号探测器在西昌卫星发射中心成功发射，嫦娥三号探测器肩负着中国航天器首次地外天体软着陆和月面巡视科学探测等重要任务，该探测器搭载了8台有效载荷，除降落相机外的其它7台有效载荷以及有效载荷电控箱、综合电测等都是由中科院负责全新研制，其中3台载荷属首次搭载。 [113]
2013年12月14日，嫦娥三号探测器搭载的八台有效载荷在第一月昼期间陆续开机完成了探测或月面测试工作，并分别随着陆器和巡视器进入了月夜休眠状态。在嫦娥三号探测器实施软着陆过程中，由中国航天科技集团508所研制的降落相机成功对嫦娥三号着陆区进行了光学成像。在探测器成功软着陆后，地面应用系统共接收到降落相机所拍的着陆区月面图像4673幅。至此，降落相机已完成预定任务。[114]第一个月昼里，着陆器和月球车不仅圆满完成了工程任务，而且所有科学载荷顺利开机工作。着陆器地形地貌相机对月球进行了环拍，并首次对地球进行拍摄。月球车上的全景相机也进行了环拍，获得了彩色立体影像图。月球上的一个月昼和月夜分别相当于地球上的约14天。2013年12月，两器进入月夜断电关机状态，直至2014年1月陆续唤醒。[115]
2014年2月12日，“玉兔”号月球车受光照成功自主唤醒。此前，嫦娥三号着陆器于2月11日实现自主唤醒，进入第三个月昼工作期。[116]
地形地貌相机首次开机测试时拍摄的月表图像
2018年5月21日，西昌卫星发射中心将探月工程嫦娥四号任务“鹊桥”中继星发射升空。同年12月12日，嫦娥四号探测器经过约110小时奔月飞行，到达月球附近，成功实施近月制动，顺利完成“太空刹车”，被月球捕获，进入了近月点约100公里的环月轨道。[117]2019年1月3日，嫦娥四号成功着陆在了月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，月球背面真正意义上第一次成功留下了人类探测器的身影。落月后，通过“鹊桥”中继星“牵线搭桥”，嫦娥四号探测器进行了太阳翼和定向天线展开等多项工作，建立了定向天线高码速率链路，顺利实现了月背和地面稳定通信。[117]
嫦娥五号探测器原本计划于2017年11月发射，但因故推迟。它全重8.2吨，由轨道器、返回器、着陆器、上升器4个部分组成。“嫦娥五号”发射的困难主要在于4个方面：月球轨道的交会对接、月面采样、月面起飞和高速返回。成功落月后，它将在月球表面采集约2公斤重的月面土壤等样本，然后封装放进着陆器的上升段——该段从月面点火升空进入月球轨道，并与轨道器和返回器的联合体交会对接，将样品转移至返回器内。随后，轨道器携带返回器点火飞向地球，在进入大气层前分离，轨道器脱离于太空中，返回器将降落在内蒙古境内的草原上。[106]
嫦娥五号”携带月球样品返回模拟图
2019年，印度的“月船二号”也在着陆月球的阶段失败。该探测器是印度发射的第一个月球软着陆探测器，重约3.85吨，包括轨道器、着陆器和月球车三个部分，着陆器被命名为维克拉姆（Vikram），以纪念印度航天之父维克拉姆，而月球车被命名为Pragyan，探测器于2019年7月22日发射升空，当年8月20日探测器进入月球轨道，9月7日开始实施月球软着陆，在高度降低到2.1公里高度时飞行轨迹开始偏移，遥测信号显示Vikram着陆器最后的垂直下落速度超过58米/秒，硬着陆月球。事后，美国LRO月球轨道器的高分辨率卫片显示，着陆器彻底摔碎，印度的首次月球着陆尝试以彻底失败告终。[21]
2020年11月24日，中国在文昌航天发射场用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，火箭飞行约2200秒后，顺利将探测器送入预定轨道，开启中国首次地外天体采样返回之旅。嫦娥五号任务的科学目标主要是开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察，获取与月球样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系;对月球样品进行系统、长期的实验室研究，分析月壤结构、物理特性、物质组成，深化月球成因和演化历史的研究。[118]嫦娥五号实现了地外天体采样、起飞和月球轨道交会对接等中国航天史乃至人类航天史上的多个“首次”，收获了研究月球乃至太阳系行星的宝贵科学样品，也实现中国探月工程“绕、落、回”探月三步走的最后一步，嫦娥五号也是人类时隔40多年后再一次在月球上“挖土”。[119]
嫦娥五号登月过程
2021年10月19日，中国科学院举行嫦娥五号月球样品研究成果发布会。中国科学院联合多家机构面向全世界发布，中国科学家揭示了月球晚期演化的奥秘——月球在距今约20亿年仍有岩浆活动，它不但比人们想象中更“长寿”，而且“长寿”的秘诀竟然和科学界以前设想的不同，既不是因为源区富集放射性生热元素，也不是因为岩浆源区富含水而降低了熔点。中国科学家通过嫦娥五号采回的月球样品发现，月球的岩浆活动一直持续到距今约20亿年，月球的寿命比此前推测的又延长了约8亿岁。[120][121]
神舟十三号载人飞船的长征二号F遥十三运载火箭
2022年8月，以瑞士苏黎世理工大学为首的一个国际研究小组利用人工智能算法观察到月球上的永久阴影区。该人工智能有望“照亮”永久的阴影区，尤其是那些尽管旋转但自然阳光仍无法到达的区域。这项成果刊载于《地球物理研究快报》上。该小组已经调查了6个以上的潜在阿尔忒弥斯计划登月着陆点。[122]
2023年8月11日发射的俄罗斯“月球-25”号探测器原计划在8月21日软着陆在月球南极地区，这是苏联/俄罗斯时隔47年后再次发射月球探测器。8月20日，俄罗斯国家航天集团公司发布消息称，“月球-25”号探测器目前已失联。据初步推测，探测器进入了非预先规划的轨道并撞上了月球表面。[21]
2023年10月1日，在阿塞拜疆巴库举办的第74届国际宇航大会(IAC)期间，国际宇航科学院主席舒马赫等科学家为中国嫦娥五号团队颁发了“劳伦斯团队奖”。嫦娥五号总设计师胡浩等作为团队代表出席颁奖仪式，并宣布嫦娥五号月球科研样品即将面向国际开放申请，中国欢迎各国科学家共同研究，共享成果。[123]
研究意义和前景
地球上的石油、煤、天然气等资源终究要耗光，而月球则蕴藏着丰富的能源。一是太阳能，月球上一个“白天”大约相当于地球上半个月，表面没有大气、电离层等遮挡，十分利于太阳能的采集。同时月表没有建筑物，可无限铺设太阳能电磁板，而且月球太阳能转变为电能后输送到地球的技术也已解决。[16]
月球上特有的矿藏和能源，也是对地球资源的重要补充和储备。科学考察探明，月球上已知矿物有100多种，包括大量的铝、镁、钙、钛、硅、钠、铬、钾、锰、锆、钡、钪[kàng]、铌[ní]等，另有5种是地球上没有的。月壤中含有地球上罕见的氦-3，这是人类未来可长期使用的清洁、高效、安全、廉价新型核聚变燃料，具有广阔的开发前景。[16]
月球保持着原始状态，对其研究有助于了解地球的演化历史；月面是真空世界，没有大气层，在月面建立天文台可大大提高天文观测能力；月面上的真空度很高，直接承受太阳的辐射，而且没有全球性偶极磁场，是开展空间物理化学实验和生命科学实验的理想场所。[16]
文化
文化影响
月球规则的相位变化是一个很好的计时器，周期性增长和衰减的形式成为许多古老历法的基础。2万至3万年前骨制计数棒上的缺口被认为是月相的标记。[124][125]阴历的一个月大约是30天。英语中的名词month和日耳曼语系与其它同源的语系来自原始日耳曼语的*mǣnṓth-，这又连结到前述原始日耳曼语的*mǣnōn，显示德国民间在使用阳历之前是使用阴历。[126][127]
月球已经给予艺术和文学作品无数的灵感，它是许多视觉艺术、表演艺术、诗歌、散文和音乐艺术的主题。有5,000年历史的爱尔兰Knowth石刻，可能是被发现、最早的代表月球的描绘。[128]
此外中国许多史前和古代的文化中都和月球相关，月亮本来是自然界的一种物态，人们加进想象的人文故事，而且这故事也在文化选择中不断演变发展。嫦娥奔月的传说就经历了演变的过程：中华民族早有“后羿射日”的神话，又与“嫦娥奔月”的神话联系起来，产生了传说故事。《全上古文》辑东汉张衡《灵宪》记载了较早的 “嫦娥化蟾”的传说：“嫦娥，羿妻也，窃王母不死药服之，奔月。嫦娥遂托身于月，是为蟾蜍。”嫦娥偷吃灵药升月变成蛤蟆，在月宫中捣药，日子寂寞清苦。所以李商隐曾有诗感叹：“嫦娥应悔偷灵药，碧海青天夜夜心。”[129]
文学作品
法国小说家、剧作家儒勒・凡尔纳的作品《从地球到月球》（De la Terreqla Lune）于1865年9月14日到10月14日在《辩论报》上连载，10月25日发行了单行本，第一个插图本于1868年7月31日发行。故事讲述了美国内战之后，在巴尔的摩城，有一位名叫巴比康俱乐部部长提议用一枚炮弹将地球和月球连系起来。法国探险者米歇尔·阿当得知这个计划后，提议建造一枚空心的炮弹，并打算乘它去探索月球的故事。[130]
法国导演乔治・梅里爱（Georges Melies）于1902年的拍摄《月球旅行记》（ATriptothe Moon），《月球旅行记》是由著名的科幻小说《从地球到月球》和威尔斯《第一次到达月球的人》改编而成。这部电影讲述了天文学家前往月球探险的过程：一群天文学家聚集在一起，打算前往月球旅行，中途经历了各种冒险，最终到达月球并成功返回的故事。[131]
除此外，中国古代也有很多相关的文学作品，如：唐朝诗人李白的唐诗《静夜思》和《月下独酌》，中国古代宋朝文学家苏轼的词作《水调歌头·明月几时有》等。[132][133][134]
音乐作品
围绕月球衍生出了一系列相关的音乐作品，如：贝多芬（Ludwig van Beethoven）的钢琴奏鸣曲《月光》（Piano Sonata No.14）等。[135]