У 1896-1910 великий атлас Місяця був виданий французькими астрономами М. Леви і П. Пьюзе по фотографіях, отриманим на Паризькій обсерваторії; пізніше фотографічний альбом Місяця виданий Лікскою обсерваторією в США, а в середині 20 століття Дж. Койпер (США) склав кілька детальних атласів фотографій Місяця, отриманих на великих телескопах різних астрономічних обсерваторій. За допомогою сучасних телескопів на Місяці можна помітити, але не розглянути кратери розміром близько 0,7 кілометрів і тріщини шириною в перші сотні метрів.
Рельєф місячної поверхні.
Рельєф місячної поверхні був в основному з'ясований у результаті багаторічних телескопічних спостережень. “Місячного моря”, що займають близько 40 % видимої поверхні Місяця, являють собою рівнинні низовини, пересічені тріщинами і невисокими звивистими валами; великих кратерів на морях порівняно мало. Багато морів оточені концентричними кільцевими хребтами. Інша, більш світла поверхня покрита численними кратерами, кільцеподібними хребтами, борознами і так далі. Кратери менш 15-20 кілометрів мають просту чашоподібну форму, більш великі кратери (до 200 кілометрів) складаються з округлого вала з крутими внутрішніми схилами, мають порівняно плоске дно, більш заглиблене, чим навколишня місцевість, часто з центральною гіркою. Висоти гір над навколишньою місцевістю визначаються по довжині тіней на місячній чи поверхні фотометричним способом. Таким шляхом були складені гіпсометричні карти масштабу 1:1000000 на велику частину видимої сторони. Однак абсолютні висоти, відстані крапок поверхні Місяця від центра чи фігури маси Місяця визначаються дуже непевно, і засновані на них гіпсометричні карти дають лише загальне представлення про рельєф Місяця. Набагато докладніше і точніше вивчений рельєф крайової зони Місяця, що, у залежності від фази лібрації, обмежує диск Місяця. Для цієї зони німецький учений Ф. Хайн, радянський вчений А. А. Нефедьєв, американський учений Ч. Уотс склали гіпсометричні карти, що використовуються для обліку нерівностей краю Місяця при спостереженнях з метою визначення координат Місяця (такі спостереження виробляються меридіанними колами і по фотографіях Місяця на тлі навколишніх зірок, а також за спостереженнями покрить зірок). Мікрометричними вимірами визначені стосовно місячного екватора і середнього меридіана Місяця селенографічні координати декількох основних опорних крапок, що служать для прив'язки великого числа інших крапок поверхні Місяця. Основною вихідною точкою при цьому є невеликої правильної форми і добре видимий біля центра місячного диска кратер Местинг. Структура поверхні Місяця був в основному вивчена фотометричними і поляриметричними спостереженнями, доповненими радіоастрономічними дослідженнями.
Кратери на місячній поверхні мають різний відносний вік: від древніх, ледь помітних, сильно перероблених утворень до дуже чітких в обрисах молодих кратерів, іноді оточених світлими “променями”. При цьому молоді кратери перекривають більш древні. В одних випадках кратери врізані в поверхню місячних морів, а в інші - гірські породи морів перекривають кратери. Тектонічні розриви те розсікають кратери і моря, те самі перекриваються більш молодими утвореннями. Ці й інші співвідношення дозволяють установити послідовність виникнення різних структур на місячній поверхні; у 1949 радянський вчений А. В. Хабаков розділив місячні утворення на кілька послідовних вікових комплексів. Подальший розвиток такого підходу дозволило до кінця 60-х років скласти середньомасштабні геологічні карти на значну частину поверхні Місяця. Абсолютний вік місячних утворень відомий поки лише в декількох крапках; але, використовуючи деякі непрямі методи, можна установити, що вік найбільш молодих великих кратерів складає десятки і сотні мільйонів років, а основна маса великих кратерів виникла в “доморський” період, 3-4 млрд. років тому.
В утворенні форм місячного рельєфу брали участь як внутрішні сили, так і зовнішні впливи. Розрахунки термічної історії Місяця показують, що незабаром після її утворення надра були розігріті радіоактивним теплом і значною мірою розплавлені, що привело до інтенсивного вулканізму на поверхні. У результаті утворилися гігантські лавові полючи і деяка кількість вулканічних кратерів, а також численні тріщини, уступи й інше. Разом з цим на поверхню Місяця на ранніх етапах випадала величезна кількість метеоритів і астероїдів - залишків протопланетної хмари, при вибухах яких виникали кратери - від мікроскопічних лунок до кільцевих структур поперечником у багато десятків, а можливо і до декількох сотень кілометрів. Через відсутність атмосфери і гідросфери значна частина цих кратерів збереглася до наших днів. Зараз метеорити випадають на Місяць набагато рідше; вулканізм також в основному припинився, оскільки Місяць витратив багато теплової енергії, а радіоактивні елементи були винесені в зовнішні шари Місяця. Про залишковий вулканізм свідчать витікання вуглецевих газів у місячних кратерах, спектрограми яких були вперше отримані радянським астрономом Н. А. Козирєв.
Походження Місяця.
Походження Місяця остаточно ще не установлено. Найбільш розроблені три різні гіпотези. Наприкінці 19 в. Дж. Дарвін висунув гіпотезу, відповідно до якої Місяць і Земля спочатку складали одну загальну розплавлену масу, швидкість обертання якої збільшувалася в міру її остигання і стиску; у результаті ця маса розірвалася на двох частин: велику - Землю і меншу - Місяць. Ця гіпотеза пояснює малу щільність Місяця, утвореної з зовнішніх шарів первісної маси. Однак вона стикається із серйозними запереченнями з погляду механізму подібного процесу; крім того, між породами земної оболонки і місячних порід є істотні геохімічні розходження.
Гіпотеза захоплення, розроблена німецьким ученим К. Вейцзеккером, шведським ученим Х. Альфвеном і американським ученим Г. Юри, припускає, що Місяць спочатку був малою планетою, що при проходженні поблизу Землі в результаті впливу тяжіння останньої перетворилася в супутник Землі. Імовірність такої події дуже мала, і, крім того, у цьому випадку варто було б очікувати більшого розходження земних і місячних порід.
Відповідно до третьої гіпотези, що розроблялася радянськими вченими - О. Ю. Шмидтом і його послідовниками в середині 20 століття, Місяць і Земля утворилися одночасно шляхом об'єднання й ущільнення великого роя дрібних часток. Але Місяць у цілому має меншу щільність, чим Земля, тому речовина протопланетного хмари повинна було розділитися з концентрацією важких елементів у Землі. У зв'язку з цим виникло припущення, що першої початку формуватися Земля, оточена могутньою атмосферою, збагаченої відносно летучими силікатами; при наступному охолодженні речовина цієї атмосфери скондесувалося в кільце планетезималей, з яких і утворився Місяць. Остання гіпотеза на сучасному рівні знань (70-і роки 20 століття) представляється найбільш кращої.
Новий етап дослідження Місяця.
Не дивно, що перший політ космічного апарата вище навколоземної орбіти був спрямований до Місяця. Ця честь належить радянському космічному апарату "Місяць-l", запуск якого був здійснений 2 січня 1958 року. Відповідно до програми польоту через кілька днів він пройшов на відстані 6000 кілометрів від поверхні Місяця. Пізніше в тому ж році, у середині вересня подібний апарат серії "Місяць" досяг поверхні природного супутника Землі.
Ще через рік, у жовтні 1959 року автоматичний апарат "Місяць-3", оснащений апаратурою для фотографування, провів зйомку зворотної сторони Місяця (близько 70 % поверхні) і передав її зображення на Землю. Апарат мав систему орієнтації з датчиками Сонця і Місяця і реактивних двигунів, що працювали на стиснутому газі, систему керування і терморегулювання. Його маса 280 кілограм. Створення "Місяця-3" було технічним досягненням для того часу, принесло інформацію про зворотну сторону Місяця: виявлені помітні розходження з видимою стороною, насамперед відсутність протяжних місячних морів.
У лютому 1966 року апарат "Місяць-9" доставив на Місяць автоматичну місячну станцію, що зробила м'яку посадку і передала на Землю кілька панорам прилеглої поверхні - похмурої кам'янистої пустелі. Система керування забезпечувала орієнтацію апарата, включення гальмової ступіні по команді від радіолокатора на висоті 75 кілометрів над поверхнею Місяця і відділення станції від її безпосередньо перед падінням. Амортизація забезпечувалася надувним гумовим балоном. Маса "Місяця-9" близько 1800 кілограм, маса станції близько 100 кілограм.
Наступним кроком у радянській місячній програмі були автоматичні станції "Місяць-16, -20, -24" , призначені для забору ґрунту з поверхні Місяця і доставки його зразків на Землю. Їхня маса була близько 1900 кілограм. Крім гальмової рухової установки і посадкового пристрою, до складу станцій входили грунтозабірний пристрій, злітна ракетна ступінь з апаратом, що повертається, для доставки ґрунту. Польоти відбулися в 1970, 1972 і 1976 роках, на Землю були доставлені невеликі кількості ґрунту.
Ще одну задачу вирішували "Луна-17, -21" (1970, 1973 року). Вони доставили на Місяць самохідні апарати - місяцеходи, керовані з Землі по стереоскопічному телевізійному зображенню поверхні. "Місяцехід- 1 " пройшов шлях близько 10 кілометрів за 10 місяців, "Місяцехід-2" - близько 37 кілометрів за 5 мес. Крім панорамних камер на місяцеходах були встановлені: грунтозабірний пристрій, спектрометр для аналізу хімічного складу ґрунту, вимірник шляху. Маси місяцеходів 756 і 840 кг.
Космічні апарати "Рейнджер" розроблялися для одержання знімків під час падіння, починаючи з висоти близько 1600 кілометрів до кількох сотень метрів над поверхнею Місяця. Вони мали систему тривісної орієнтації і були оснащені шістьма телевізійними камерами. Апарати при посадці розбивалися, тому одержувані зображення передавалися відразу ж, без запису. Під час трьох удалих польотів були отримані великі матеріали для вивчення морфології місячної поверхні. Зйомки "Рейнджеров" поклали початок американській програмі фотографування планет.