Mặt trăng

Mặt trăng là vệ tinh tự nhiên duy nhất của Trái đất^tr.14 và đã được con người quan sát từ thời thượng cổ vì sự xuất hiện nổi bật trên bầu trời với độ sáng cao thứ hai sau Mặt trời.^tr.120 Đây là thiên thể có dạng gần cầu^tr.223 với kích thước bằng khoảng 27% kích thước Trái đất và khối lượng bằng khoảng 1,23% khối lượng Trái đất.^tr.304 Mặt trăng chứa nhiều đất đá silicat và không có khí quyển, thủy quyển, hay từ quyển đáng kể.^tr.304,309

Một giả thuyết được chấp nhận rộng rãi cho rằng Mặt trăng hình thành cách đây hơn 4,5 tỷ năm, không lâu sau khi Trái đất hình thành, từ vật chất văng ra sau một vụ va chạm lớn giữa Trái đất và một thiên thể giả định mang tên Theia có kích thước cỡ Sao hỏa.

Mặt trăng ở trong quỹ đạo đồng bộ với Trái đất, tức là chu kỳ tự quay của Mặt trăng bằng với chu kỳ quay quanh Trái đất, khoảng 27,3 ngày, do đó nó luôn quay một mặt về phía Trái đất, là mặt gần.^tr.123 Do hiện tượng bình động nên quan sát từ Trái đất qua nhiều thời điểm, với mỗi thời điểm ở góc nhìn hơi khác, sẽ thấy tổng cộng nhiều hơn một nửa diện tích Mặt trăng (59%).^tr.18 Các pha Mặt trăng, từ trăng tròn đến trăng tối, tuần hoàn theo chu kỳ giao hội 29,5 ngày,^tr.123 tạo thành cơ sở cho lịch Mặt trăng (âm lịch).^tr.208-209 Đường kính góc của Mặt trăng trên bầu trời tương đương với Mặt trời, khoảng hơn nửa độ, do đó Mặt trăng che kín Mặt trời trong nhật thực toàn phần.^tr.253 Lực hấp dẫn của Mặt trăng gây ra thủy triều trên đại dương ở Trái đất, đồng thời gây ra hiệu ứng tương tự cho phần vỏ và lõi đất đá của Trái đất, và làm cho một ngày ở Trái đất dài hơn một chút.^tr.125-128 Khoảng cách trung bình từ Mặt trăng đến Trái đất là khoảng 384000 km,^tr.19 tương đương 1,28 giây ánh sáng, hay khoảng 30 lần đường kính Trái đất.^tr.223 Trong tương lai xa, khoảng cách từ Mặt trăng đến Trái đất sẽ tăng dần, do hiệu ứng thủy triều, và Mặt trăng sẽ xuất hiện nhỏ dần.^tr.128

Trong Hệ Mặt trời, Mặt trăng là vệ tinh tự nhiên lớn thứ năm.^tr.410 Nếu xét về tỷ lệ kích thước so với hành tinh mà nó quay quanh thì Mặt trăng đạt tỷ lệ này cao nhất trong Hệ Mặt trời.^{tr.388,410,412} Bề mặt Mặt trăng có các biển Mặt trăng là các vùng vật chất tối màu có nguồn gốc từ hoạt động núi lửa cũ, nằm chủ yếu ở mặt gần, giữa các vùng vỏ cũ cao sáng màu có rất nhiều hố va chạm.^tr.310-312 Các hố va chạm trên Mặt trăng được bảo quản tốt và cung cấp nhiều thông tin về quá khứ của Hệ Mặt trời.^tr.303 Trọng trường ở bề mặt Mặt trăng bằng khoảng 1/6 so với Trái đất.^tr.226 Nhiệt độ thay đổi mạnh theo điều kiện nhận ánh sáng Mặt trời, trung bình từ khoảng -180°C vào ban đêm đến trên 100°C vào ban ngày tại xích đạo. Tồn tại hàng trăm tỷ tấn nước đá ở đáy những hố va chạm gần cực, nơi vĩnh viễn không nhận được ánh nắng.^tr.309

Chương trình Luna của Liên Xô đã đưa được vật thể nhân tạo đầu tiên lên Mặt trăng là tàu không người lái Luna 2, một tàu vũ trụ được chủ đích cho đâm xuống bề mặt Mặt trăng vào tháng 9 năm 1959.^tr.12-13 Sau đó vào năm 1966, tàu Luna 9 đã đổ bộ an toàn lên Mặt trăng.^tr.305 Chương trình Apollo của Hoa Kỳ những năm tiếp theo đã giúp con người lên Mặt trăng, với Apollo 8 năm 1968 lần đầu đưa người bay quanh Mặt trăng, rồi Apollo 11 vào tháng 7 năm 1969 cùng 5 chuyến bay khác sau đó đã hạ cánh với con người và thiết bị lên thiên thể này.^tr.305-306 Các chuyến thám hiểm này đã mang về Trái đất đá Mặt trăng được dùng để nghiên cứu và bổ sung kiến thức về Mặt trăng cũng như nguồn gốc hình thành của nó.^tr.306 Từ sau chuyến bay Apollo 17 năm 1972 đến hiện tại, chỉ có các tàu không người lái đến thám hiểm Mặt trăng.^tr.307

Sự hiện diện của Mặt trăng trên bầu trời, theo chu kỳ pha Mặt trăng, đã để lại dấu ấn trong xã hội và văn hóa của loài người.^tr.120 Ảnh hưởng trong văn hóa xã hội thể hiện ở ngôn ngữ,^tr.123 hệ thống âm lịch,^tr.208-209 nghệ thuật, và thần thoại.

Nguồn gốc hình thành

Mục từ chi tiết: Nguồn gốc hình thành Mặt trăng

Hình ảnh minh họa một vụ va chạm lớn.

Trước hội nghị năm 1984, có các bên ủng hộ ba giả thuyết "truyền thống", một vài người bắt đầu nghiêm túc xem xét lý thuyết va chạm lớn, cùng rất nhiều người khác không có quan điểm rõ ràng và cho rằng cuộc tranh luận sẽ không bao giờ kết thúc. Sau hội nghị, cơ bản chỉ còn có hai phe: phe va chạm lớn và phe bất khả tri.

Mặt trăng hình thành khoảng hơn 4,5 tỷ năm trước. Nghiên cứu về hafni và wolfram ở vỏ Mặt trăng gợi ý thiên thể này ra đời sau Hệ Mặt trời khoảng 50 triệu năm.

Đa số các giả thuyết từ sớm về nguồn gốc hình thành Mặt trăng theo một trong ba ý tưởng chính.^tr.320 Ý tưởng thứ nhất cho rằng vật chất văng ra từ Trái đất trong thời kỳ đang hình thành bởi lực ly tâm, sau đó tập hợp lại thành Mặt trăng. Tuy nhiên điều này đòi hỏi Trái đất phải quay nhanh đến mức phi thực tế. Ý tưởng thứ hai giả định trường hấp dẫn của Trái đất đã thu hút thiên thể Mặt trăng đến từ nơi khác, nhưng việc này đòi hỏi khí quyển Trái đất hấp thụ động năng của Mặt trăng khi nó bay tới - một khả năng rất khó xảy ra. Ý tưởng thứ ba đề xuất sự hình thành cùng lúc của Trái đất và Mặt trăng từ đĩa bồi tụ khi Hệ Mặt trời đang hình thành.^tr.320 Phương án này không giải thích được tại sao Mặt trăng lại có các tính chất khác với Trái đất, ví dụ như ít kim loại hơn hẳn so với Trái đất.^tr.309 Ý tưởng thứ nhất và thứ ba cũng không tiên đoán được mômen động lượng của hệ Trái đất - Mặt trăng.

Để giải thích thỏa đáng nhiều bằng chứng thực nghiệm, một giả thuyết khác đã được xây dựng, gọi là giả thuyết va chạm lớn.^tr.321 Giả thuyết này cho rằng hệ Trái đất - Mặt trăng hình thành sau một vụ va chạm lớn, lệch tâm, giữa một thiên thể có kích thước cỡ Sao hỏa, tên là Theia, với thiên thể tiền Trái đất. Vụ va chạm đã làm văng nhiều vật chất vào không gian, một phần rời xa Trái đất, một phần dần tích tụ thành một đĩa bồi tụ quanh Trái đất rồi từ đó hình thành nên Mặt trăng. Vào một hội nghị bàn về nguồn gốc Mặt trăng năm 1984 ở Kona, Hawaii, giả thuyết va chạm lớn bắt đầu được đa số tán thành là hợp lý.

Các vụ va chạm lớn được cho là có khả năng xảy ra trong giai đoạn hình thành của Hệ Mặt trời.^tr.510 Những mô phỏng vụ va chạm lớn trên máy tính đã cho ra các kết quả phù hợp với khối lượng thực tế của lõi Mặt trăng và mômen động lượng của hệ Trái đất – Mặt trăng. Vụ va chạm đã giải phóng rất nhiều năng lượng, đủ để làm nóng chảy lớp vỏ Trái đất và tạo nên đại dương magma. Tương tự, Mặt trăng mới hình thành cũng có đại dương magma của nó. Theo giả thuyết va chạm lớn, phần lớn Mặt trăng được hình thành từ lớp vỏ của Trái đất và Theia, phù hợp với thành phần ít kim loại và nhiều silicat của nó.^tr.321 Các nguyên tố dễ bay hơi được giải phóng bởi nhiệt độ cao ở giai đoạn đầu của vụ va chạm, giải thích cho việc không còn vật chất dễ bốc hơi ở trên Mặt trăng.^tr.321 Nếu Mặt trăng chứa nhiều thành phần của vỏ Trái đất thì có thể giải thích được sự tương đồng về mặt hóa học của Mặt trăng với vỏ Trái đất, ví dụ như về nồng độ đồng vị oxy.^tr.321

Giản đồ một số mô hình của giả thuyết va chạm lớn.

Tuy giả thuyết va chạm lớn có thể giải thích được nhiều kết quả quan sát song vẫn còn những câu hỏi chưa được giải đáp, đa số liên quan đến thành phần của Mặt trăng. Năm 2001, một nhóm nghiên cứu ở Viện Carnegie tại Washington báo cáo kết quả đo đạc đặc trưng đồng vị oxy trong đá Mặt trăng có độ chính xác cao, cho thấy tính chất giống với đá ở Trái đất. Các nghiên cứu khác sau đó cũng chỉ ra tỷ lệ đồng vị wolfram và titani ở vỏ Mặt trăng giống hệt với Trái đất. Đá Mặt trăng thu được trong chương trình Apollo có đặc trưng đồng vị giống với đá trên Trái đất và khác hầu hết các thiên thể khác trong Hệ Mặt trời. Trong khi đó, có các mô phỏng về vụ va chạm lớn cho thấy phần lớn Mặt trăng được hình thành từ vật liệu của Theia, chứ không phải từ thiên thể tiền Trái đất, dù cho có gợi ý tỷ lệ vật liệu đến từ tiền Trái đất cao hơn các mô phỏng trước đây. Để giải thích cho sự tương đồng hóa học giữa Mặt trăng và vỏ Trái đất, đã có các giả thuyết khác nhau được đưa ra, bao gồm cả đề xuất xem xét lại toàn diện giả thuyết va chạm lớn. Có các giả thuyết cho rằng Theia có thể có thành phần hóa học tương đồng thiên thể tiền Trái đất, với xác suất tới 20%, mặc dù trước đó đã từng có báo cáo năm 2007 rằng có ít hơn vài phần trăm khả năng là Theia và Trái đất có cùng đặc trưng đồng vị. Có giả thuyết nữa giải thích sự tương tự hóa học bằng cơ chế hòa trộn vật liệu bốc hơi sau sự kiện va chạm lớn, để thành nguyên liệu hình thành cho cả hai, mặc dù giả định này vẫn còn gây tranh cãi. Trong mọi trường hợp, sự tương đồng hóa học giúp loại trừ khả năng Mặt trăng được hình thành ở xa và độc lập với Trái đất.^tr.321

Các lý thuyết cải tiến từ giả thuyết va chạm lớn vẫn đang được phát triển để giải thích các quan sát ngày càng chính xác về Mặt trăng. Một lý thuyết cải tiến cho rằng vật liệu văng ra từ vụ va chạm lớn ban đầu hình thành nên hai thiên thể vệ tinh của Trái đất. Sau đó, chúng nhập lại thành Mặt trăng trong một va chạm ở tốc độ thấp. Giả thuyết này giải thích được tại sao mặt xa của Mặt trăng có vỏ dày hơn so với mặt gần.

Đặc tính vật lý

Thành phần lớp đất mặt.

Hợp chất	Công thức	Thành phần
		Biển	Vùng cao
Silic dioxide	SiO2	45,4%	45,5%
Nhôm oxit	Al2O3	14,9%	24,0%
Calci oxit	CaO	11,8%	15,9%
Sắt(II) oxit	FeO	14,1%	5,9%
Magnesi oxit	MgO	9,2%	7,5%
Titani dioxide	TiO2	3,9%	0,6%
Natri oxit	Na2O	0,6%	0,6%
		99,9%	100,0%

Mặt trăng có hình dạng gần ellipsoid do tác động của lực thủy triều, với trục lớn lệch khoảng 30° so với phương nối đến Trái đất. Trục lớn của ellipsoid cũng lệch khoảng 30° so với trục lớn của trường trọng lực Mặt trăng, vì trục lớn của trường trọng lực gần trùng với phương nối đến Trái đất. Hình dạng của Mặt trăng hơi méo hơn so với mức gây ra bởi lực thủy triều hiện tại. Hóa thạch hình dạng này gợi ý về lịch sử của Mặt trăng. Mặt trăng đã nguội và đông cứng khi lực thủy triều còn mạnh, lúc nó cách Trái đất chỉ khoảng một nửa khoảng cách hiện nay. Ngày nay, nó đã quá lạnh và cứng đến mức không thể điều chỉnh hình dạng lại cho phù hợp với lực thủy triều yếu hơn ở quỹ đạo hiện tại.

Với khối lượng riêng trung bình 3,3 g/cm³, bằng 1/5 so với Trái đất,^tr.226 Mặt trăng dường như chứa chủ yếu đất đá silicat và thiếu kim loại (như sắt) hơn hẳn Trái đất.^tr.309 So với các vệ tinh tự nhiên lớn của các hành tinh trong Hệ Mặt trời thì Mặt trăng có khối lượng riêng xếp thứ hai chỉ sau Io.^{tr.410,412,423}

Cấu trúc bên trong

Mục từ chi tiết: Cấu trúc Mặt trăng

Giản đồ cấu trúc bên trong Mặt trăng.

Cấu trúc bên trong của Mặt trăng được phân tách thành ba thành phần khác biệt về mặt hóa địa chất là lớp vỏ, lớp phủ và lõi.

Lõi Mặt trăng có ít nhất một phần nóng chảy, có độ dẫn điện cao và khối lượng riêng lớn hơn lớp phủ.^tr.326 Tuy nhiên thành phần hóa học của lõi Mặt trăng chưa được xác định chắc chắn.^tr.326 Có giả thuyết cho rằng lõi gồm hợp kim sắt-sắt sulfide-carbon nóng chảy với bán kính dưới 375 km.^tr.326 Cũng có giả thuyết khác chỉ ra thành phần lõi gồm silicat nóng chảy pha thêm sắt và titani với bán kính lớn hơn một chút.^tr.326 Lõi này có thể gồm phần lõi trong rắn chiếm khoảng 40% thể tích, và phần lõi ngoài nóng chảy chiếm khoảng 60% thể tích.

Bao quanh lõi là phần trong của lớp phủ có bán kính khoảng 480 km đến 587 km, một phần cũng bị nóng chảy.^tr.325 Cấu trúc lớp phủ ở tầng trên được cho là đã hình thành theo cơ chế kết tinh từ một đại dương magma tồn tại ngay sau khi Mặt trăng hình thành vào khoảng 4,5 tỷ năm trước.^tr.221 Quá trình đại dương magma kết tinh đã tạo ra lớp phủ ultramafic có mật độ cao, chứa nhiều olivin và pyroxen, nằm dưới một lớp vỏ plagiocla nhẹ nổi lên và bao phủ bề mặt toàn cầu.^tr.223 Những phần chất lỏng cuối cùng hóa rắn nằm giữa lớp vỏ và lớp phủ, chứa nhiều các thành phần tỏa nhiệt và không tương thích nhau về mặt hóa địa chất.^tr.224 Các mẫu đá lấy từ biển Mặt trăng, vốn là dung nham hóa rắn từng phun trào ra bề mặt từ lớp phủ nóng chảy một phần, xác nhận thành phần lớp phủ ultramafic.^tr.223tr.312

Quá trình hình thành nêu trên tạo ra lớp vỏ anorthosit, một kết quả phù hợp với các đo đạc tại chỗ và viễn thám.^tr.223tr.311 Sau khi khoảng ba phần tư đại dương dung nham đã kết tinh, các khoáng chất plagiocla nhẹ hơn bắt đầu hình thành và nổi lên trên tạo thành lớp vỏ.^tr.224 Lớp vỏ dày khoảng 50 km.^tr.283 Các mẫu đá trên vỏ Mặt trăng đều có tuổi từ 3,3 đến 4,4 tỷ năm, cổ hơn hầu hết đá Trái đất, và phù hợp với mô hình kết tinh đại dương dung nham.^tr.310tr.282

Bề mặt

Mục từ chi tiết: Địa hình Mặt trăng

Bản đồ địa hình Mặt trăng. Đặc trưng nổi bật ở nam mặt xa là Bồn địa Nam cực - Aitken - vùng trũng gần tròn, tô màu xanh tím.

Địa hình Mặt trăng đã được đo bằng laser và xử lý ảnh stereo. Một đặc trưng địa hình nổi bật là bồn địa Nam cực - Aitken, ở phía nam mặt xa Mặt trăng, đường kính khoảng 2500 km, là hố va chạm lớn nhất trong số các hố va chạm đã được xác nhận ở hệ Mặt trời. Bồn địa này cũng chứa điểm có độ sâu lớn nhất của Mặt trăng, sâu khoảng 13 km so với vùng xung quanh rìa. Điểm cao nhất của Mặt trăng cũng nằm ngay rìa phía đông bắc của bồn địa này, có thể được nâng cao lên do va chạm nghiêng của vụ va chạm hình thành nên bồn địa Nam Cực - Aitken. Các bồn địa nổi bật khác, hình thành bởi các vụ va chạm lớn trong thời kỳ đầu của lịch sử Mặt trăng,^tr.312 gồm có biển Mưa, Trong Sáng, Khủng Hoảng ở mặt gần^tr.225 và Đông Phương ở vùng ranh giới của hai mặt^tr.312 - chúng đều có các vùng trung tâm với độ sâu lớn và phần rìa có độ cao lớn. Mặt xa Mặt trăng có độ cao trung bình lớn hơn so với mặt gần cỡ 1,9 km.

Liên đoàn Thiên văn Quốc tế khuyến nghị kinh tuyến gốc, của hệ tọa độ địa lý Mặt trăng, đi qua điểm trung tâm trung bình của mặt gần Mặt trăng. Trong hệ tọa độ này, hố va chạm nhỏ bé mang tên Mösting A, có tọa độ 3,18°Nam, 5,16°Tây, cùng với một số đặc điểm địa hình khác, được dùng để đối chiếu vị trí vẽ bản đồ.

Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng năm 2010 đã phát hiện ra các vách đứt gãy dốc đứng trên bề mặt Mặt trăng, cho thấy rằng Mặt trăng có thể đã co ngót lại trong thời kỳ địa chất gần đây. Các dấu hiệu co ngót tương tự cũng đã được quan sát thấy trên Sao thủy. Một nghiên cứu thực hiện với 12000 bức ảnh chụp được từ tàu quỹ đạo cho thấy biển Lạnh ở gần cực bắc, một bồn địa vốn được cho là đã ngừng tiến hóa về mặt địa chất giống như các biển Mặt trăng khác, đang nứt và dịch chuyển. Trên Mặt trăng không có các mảng kiến tạo, cho nên hoạt động địa chất ở đây chỉ là sự hình thành các vết nứt chủ yếu do sự co ngót toàn cầu của Mặt trăng, khi nó nguội dần, và một phần do lực thủy triều.

Biển và vùng cao

Bản đồ địa chất mặt gần Mặt trăng. Màu đỏ ở bản đồ ứng với các vùng bazan của biển Mặt trăng.

Niên đại địa chất Mặt trăng.^tr.277-278

Các vùng trên bề mặt Mặt trăng có màu sẫm và tương đối bằng phẳng, như những đồng bằng, có ít các hố va chạm hơn, đủ lớn để có thể nhìn thấy bằng mắt thường từ Trái đất, được gọi là các biển Mặt trăng, vì trước đây đã có giả định rằng những vùng này có nước.^{tr.19-20tr.310} Giả thuyết được chấp nhận hiện tại cho rằng các vùng này vốn là các hồ chứa dung nham bazan cổ, nay đã đông cứng.^tr.312 Bazan trên Mặt trăng tương tự như bazan ở Trái đất, gần giống phần vỏ dưới đại dương Trái đất hoặc dung nham phun trào từ núi lửa Trái đất,^tr.312 nhưng không có các khoáng chất bị biến đổi bởi sự có mặt của nước. Phần lớn các dung nham này đã phun trào ra bề mặt và chảy đến các vùng trũng ở các hố va chạm lớn thời kỳ đầu hình thành Mặt trăng.^tr.312 Biển Mặt trăng hiện diện ở khoảng 17% diện tích Mặt trăng và hầu hết nằm ở mặt gần Mặt trăng;^tr.312 biển ở mặt xa chỉ chiếm 1% bề mặt Mặt trăng.

Một số biển ở mặt gần Mặt trăng chứa các vòm núi lửa, có thể được hình thành bởi dung nham phun trào với độ nhớt cao hơn. Bản đồ hóa địa chất Mặt trăng, đo bởi phổ kế gamma của vệ tinh Lunar Prospector, cho thấy mặt gần Mặt trăng có nồng độ cao hơn các nguyên tố hóa học có khả năng sinh nhiệt nằm bên dưới lớp vỏ, gợi ý về khả năng vùng nằm dưới lớp vỏ này đã từng nóng hơn và dễ phun trào dung nham hơn, giải thích cho việc mặt gần có nhiều biển hơn. Đa số bazan hình thành nên các biển nhỏ nằm xen kẽ giữa các vùng cao đã phun trào trong kỷ Mưa, 3,2–3,8 tỷ năm trước, còn riêng ở biển Mưa và Đại dương Bão, hoạt động phun trào đã kéo dài từ 4,2 đến khoảng 1 tỷ năm trước. Theo một nghiên cứu định tuổi bằng phương pháp đếm hố va chạm ở vùng Đại dương Bão, dung nham trào lên bề mặt gần đây nhất là vào khoảng 1,2 tỷ năm trước. Năm 2006, một nghiên cứu về hố va chạm Ina trong biển Hồ Hạnh Phúc đã tìm thấy các khu vực có đặc điểm trẻ, với tuổi chỉ khoảng 10 triệu năm. Các trận động đất Mặt trăng và các vụ rò rỉ khí ga ra bề mặt cho thấy một số hoạt động địa chất của Mặt trăng vẫn tiếp tục. Năm 2014, một nghiên cứu cho thấy nhiều bằng chứng về các hoạt động núi lửa mới trên Mặt trăng tại 70 vùng có hình dạng bất thường ghi nhận bởi Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng, với tuổi ít hơn 100 triệu năm. Có khả năng lớp phủ của Mặt trăng nóng hơn so với các số liệu đã được chấp nhận trước đây, ít nhất là ở mặt gần, tại những nơi có hàm lượng cao hơn các chất phóng xạ sinh nhiệt bên dưới lớp vỏ. Lớp phủ nóng hơn và / hoặc hàm lượng cao hơn các chất sinh nhiệt trong lớp phủ nằm dưới bồn địa Đông Phương cũng có thể đã kéo dài hoạt động địa chất tại đây.

Các khu vực có màu sáng hơn trên Mặt trăng được gọi là các vùng cao, bởi vì chúng có cao độ lớn hơn hầu hết các biển Mặt trăng. Phương pháp đo tuổi bằng phóng xạ đã xác định các vùng cao hình thành vào khoảng 4,4 tỷ năm trước, có thể cấu tạo gồm các đá plagiocla tích lũy từ đại dương dung nham cổ của Mặt trăng, do nhẹ hơn nên nổi lên cao trong quá trình hình thành Mặt trăng từ rất sớm.^tr.311 Tuổi đời cổ đại này của vùng cao phù hợp với quan sát về mật độ rất nhiều các hố va chạm ở đây, ứng với hàng tỷ năm hứng chịu các đợt va chạm của các mảnh vụn vũ trụ.^tr.311 Khác với Trái đất, không có ngọn núi lớn nào trên Mặt trăng được cho là hình thành bởi sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo.^tr.310 Tổng diện tích các vùng cao chiếm 83% bề mặt Mặt trăng.^tr.311

Sự xuất hiện nhiều biển tại mặt gần và nhiều núi non ở mặt xa có thể được giải thích bởi một vụ va chạm ở tốc độ thấp giữa Mặt trăng với một vệ tinh tự nhiên thứ hai của Trái đất, chừng vài chục triệu năm sau khi hệ Trái đất và Mặt trăng hình thành.

Các hố va chạm

Vùng cao cổ đại của Mặt trăng với nhiều hố va chạm, chụp bởi các nhà du hành vũ trụ Apollo 11, NASA.^tr.311

Khi những tiểu hành tinh và sao chổi va chạm với bề mặt Mặt trăng, các hố va chạm hình thành và gây ra tác động đáng kể đến bề mặt Mặt trăng. Theo ước tính chỉ riêng mặt gần của Mặt trăng đã có khoảng 300.000 hố rộng hơn 1 km.^tr.13 Niên đại địa chất Mặt trăng căn cứ vào những sự kiện va chạm nổi bật nhất ở bồn địa Mật Hoa, Mưa và Đông Phương,^tr.123 và đại diện bởi tuổi của hố va chạm Copernicus và Eratosthenes.^tr.249 Đây là những cấu trúc để lại các dấu hiệu địa tầng học qua các ảnh chụp, chẳng hạn như các mảnh văng từ hố va chạm Eratosthenes nằm bên trên nền biển xung quanh, và vật liệu bắn ra từ Copernicus lại chồng lên Eratosthenes.^tr.249 Việc không có khí quyển, thời tiết và những quá trình địa chất gần đây đã giúp cho đa số các hố giữ nguyên trạng từ lúc được hình thành.^tr.303,[1] Chỉ có ít cấu trúc địa chất trên Mặt trăng được định tuổi chính xác bằng phương pháp đo đặc trưng đồng vị,^{tr.168-169,177-178,212} các khu vực còn lại được so sánh tuổi với các cấu trúc này, bằng các phương pháp khác, ví dụ như phương pháp đếm số hố va chạm.^tr.135 Nếu giả định rằng các hố va chạm xuất hiện dần theo thời gian với tốc độ nhất định, việc đếm số hố trên mỗi đơn vị diện tích, và so sánh số đếm này giữa các khu vực khác nhau, có thể giúp so sánh tuổi giữa chúng.^tr.129

Quá trình tạo hố va chạm: (1) va chạm; (2) mảnh va chạm vỡ và bốc hơi tạo sóng sốc ở bề mặt (3) vật liệu văng ra (4) vật liệu rơi xuống, phủ lên hố.^tr.316

Các hố va chạm trên Mặt trăng đều có hình tròn, không có hố lớn nào hình elip, do tốc độ cao của các mảnh vụn vũ trụ khi va chạm sẽ tạo ra hiệu ứng giống các vụ nổ, tác động đều ra mọi hướng xung quanh.^tr.315 Khi mảnh va chạm lao xuống bề mặt, nó thâm nhập tới độ sâu khoảng 2 đến 3 lần đường kính mảnh va chạm, tạo ra sóng xung kích và nhiệt, làm nứt tầng đá nền bên dưới, và bốc hơi lớp silicat bề mặt.^tr.316 Lớp đất bị bốc hơi giãn nở nhanh, tạo ra vụ nổ như bom hạt nhân, khoét một hố trên bề mặt có đường kính khoảng 10 đến 15 lần đường kính mảnh va chạm, và đẩy vật liệu ra rìa, tạo nên vành tròn ngoài dâng cao.^tr.316 Sóng xung kích trong lớp vỏ phản hồi lại làm dâng đất đá điền vào hố, làm hố phẳng lại ở đáy, và đôi khi có phần nhô lên ở tâm.^tr.316 Các vụ lở đất ở gần vành tạo nên các địa tầng.^tr.316 Các mảnh vật liệu bị văng lên cao do vụ nổ sau đó rơi xuống, phủ lên vùng với đường kính cỡ gấp đôi đường kính hố va chạm.^tr.316 Các mảnh lớn và tốc độ cao khi rơi xuống có thể tạo ra các hố va chạm nhỏ.^tr.316

Phủ bên trên bề mặt Mặt trăng là lớp đất mặt, gồm các vật liệu tán vụn, hình thành bởi các quá trình va chạm.^tr.314 Theo thời gian chúng tiếp tục bị vỡ vụn thành những mảnh ngày càng nhỏ hơn.^tr.314 Đất Mặt trăng có thành phần chiếm gần nửa là silica và các thành phần khác là một số oxit kim loại. Lớp đất mặt của những bề mặt cổ tại vùng cao nhìn chung dày hơn, với độ dày 10-15 mét; trong khi tại các bề mặt trẻ ở biển, đất mặt chỉ dày 4-5 mét.^tr.88,93,286 Bên dưới lớp đất mặt tán mịn là lớp các mảnh vỡ lớn văng ra từ các vụ va chạm và đá móng nứt gãy dày từ vài đến vài chục kilomet.^tr.92-93 Bản thân lớp đất mặt cũng thường phân chia thành hai địa tầng: tầng trên nằm ngay ở bề mặt, dày cỡ vài đến vài chục xăngtimét, chứa các hạt đã được trộn đều, và tầng dưới có các lớp khác nhau chưa được trộn lẫn, hình thành từ các sự kiện va chạm khác nhau trong quá khứ.^tr.337

Tốc độ sinh hố va chạm ở Mặt trăng theo thời gian.^tr.320

Tốc độ sản sinh các hố va chạm, trong khoảng 3 tỷ năm trở lại, là vào khoảng một hố đường kính 1km cho mỗi 200 nghìn năm, một hố đường kính 10km trong mỗi vài triệu năm, và khoảng một đến hai hố đường kính 100km trong mỗi tỷ năm.^tr.319 Từ khoảng gần 4 tỷ năm về trước, tốc độ sản sinh các hố va chạm cao hơn gấp nhiều lần.^tr.319 Nghiên cứu về tuổi đo bằng phóng xạ của đá nóng chảy do va chạm, thu thập từ các hố va chạm trong chương trình Apollo, gợi ý về sự kiện biến cố mặt trăng diễn ra khoảng 3,9 tỉ năm trước, với sự xuất hiện nhiều bất thường các tiểu hành tinh va chạm với các thiên thể ở vòng trong của Hệ mặt trời, mặc dù có nghi vấn về giả thuyết này.

Việc so sánh những hình ảnh do Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng chụp cho thấy tốc độ sản sinh hố hiện tại nhanh hơn đáng kể ước tính trước đây, đặc biệt là với các hố va chạm nhỏ có kích cỡ trên chục mét. Khi mỗi vụ va chạm xảy ra, những mảnh vật liệu nóng chảy hoặc bốc hơi văng ra ngoại biên với tốc độ cao, và chính chúng lại rơi xuống bề mặt.^tr.216-217 Cơ chế này được cho là làm khuấy động hai xăngtimét lớp đất mặt trên cùng, ở thang thời gian 81.000 năm, nhanh hơn một trăm lần so với các mô hình lý thuyết trước đây.

Các vụ va chạm lớn và nhỏ đều làm bào mòn dần bề mặt Mặt trăng, khiến cho các núi non trên Mặt trăng có bề mặt nhẵn trơn, chứ không có các đỉnh nhọn lởm chởm như một số núi trẻ trên Trái đất.^tr.311

Xoáy Mặt trăng ở Reiner Gamma.

Các xoáy Mặt trăng

Mục từ chi tiết: Xoáy Mặt trăng

Các xoáy Mặt trăng là các vùng có đặc điểm địa lý kỳ dị nằm rải rác khắp bề mặt của Mặt trăng. Chúng có suất phản chiếu cao hơn, có đặc điểm quang học của bề mặt mới hình thành gần đây và thường có các vùng tối nằm uốn lượn xen kẽ giữa các vùng hình xoáy sáng màu. Tất cả các xoáy đều ứng với vùng từ trường mạnh hơn, tuy nhiên không phải mọi vùng bất thường từ trường đều có xoáy.

Nước và sự sống

Mục từ chi tiết: Nước trên Mặt Trăng

Video thể hiện các vùng tối vĩnh cửu trên Mặt trăng, xây dựng dựa trên dữ liệu từ Cao độ kế Laser của Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng.

Nước lỏng không tồn tại trên bề mặt Mặt trăng.^tr.309 Trong điều kiện ở bề mặt Mặt trăng, nước sẽ bị phân ly quang học thành các chất khác khi bị chiếu xạ cực tím từ Mặt trời. Ngay cả nước ngậm trong đất đá cũng bị giải hấp bởi tia cực tím của Mặt trời. Môi trường tự nhiên của Mặt trăng không hỗ trợ sự sống phát triển, vì nồng độ cao của bức xạ cực tím Mặt trời, điều kiện áp suất khí quyển gần bằng chân không, nhiệt độ cao vào ban ngày, và sự ion hóa mạnh bởi chiếu xạ. Tổng số các vi sinh vật mà các tàu vũ trụ từ Trái đất đã mang lên Mặt trăng trong các nhiệm vụ thám hiểm có tiếp xúc với bề mặt là khoảng 4,57×10¹⁰ tế bào hoặc bào tử, tuy nhiên chỉ sau một ngày Mặt trăng, tuyệt đại đa số các sinh vật này được cho là đều bị tiêu diệt. Tuy nhiên, năm 2019, ít nhất một hạt giống đã nảy mầm ở một thí nghiệm trong môi trường có kiểm soát của tàu đổ bộ Thường Nga 4.

Từ những năm 1960, đã có giả thuyết về sự tồn tại của nước đá ở các hố va chạm lạnh lẽo và luôn bị khuất trong bóng tối ở hai cực. Trục quay của Mặt trăng đã ổn định trong vài tỷ năm trở lại đây, và ở hai cực có những hố không nhận được ánh sáng Mặt trời trong suốt thời gian này, có thể chứa nước đá được mang đến bởi các sao chổi, gió Mặt trời hoặc thoát ra từ các tầng đá bên dưới. Các mô phỏng trên máy tính năm 2003 gợi ý có khoảng 14.000 kilomét vuông diện tích Mặt trăng có thể nằm trong bóng tối vĩnh cửu. Việc có được lượng nước đáng kể trên Mặt trăng ảnh hưởng quan trọng đến các kế hoạch định cư trên Mặt trăng của con người, do việc vận chuyển nước từ Trái đất lên Mặt trăng sẽ có thể quá tốn kém.

Sự tồn tại của nước trên bề mặt Mặt trăng đã được khẳng định qua các quan sát gần đây.^tr.309 Năm 1998, phổ kế neutron trên tàu vũ trụ Lunar Prospector cho thấy dấu hiệu hydro trong nước đá ở khoảng 40 xăngtimét lớp đất mặt của các hố tối vĩnh cửu gần cực. Các hạt dung nham núi lửa được mang về từ Mặt trăng cũng đã cho thấy lượng nước nhỏ ở bên trong. Tồn tại nước ở dạng liên kết hóa học trong đá Mặt trăng.^tr.309 Tàu vũ trụ Chandrayaan-1 năm 2008 đã phát hiện sự tồn tại của nước ở cả các bề mặt được chiếu sáng bởi Mặt trời, bằng phổ kế mang tên Máy vẽ Bản đồ Khoáng vật học Mặt trăng (M3), khi đo các vạch hấp thụ của hydroxyl và/hoặc nước. Năm 2009, LCROSS đã đưa một tên lửa hết nhiên liệu đâm xuống vùng tối vĩnh cửu trong hố va chạm Cabeus gần cực, và đã phát hiện khoảng 155 ± 12 kg nước ở trong luồng khói bụi bốc lên từ vụ va chạm.

Phân bổ nước đá ở các cực Mặt trăng; bên trái là cực nam, bên phải là cực bắc.

Năm 2011, 615 đến 1410 ppm nước trong bao thể nóng chảy của mẫu đá chứa dung nham cổ đại ở Mặt trăng đã được tìm thấy, cho thấy một phần lõi của Mặt trăng có hàm lượng nước tương đương với lớp phủ trên của Trái đất. Việc phân tích lại dữ liệu phổ phản xạ của máy đo M3 vào năm 2018 đã khẳng định sự tồn tại của nước đá trong vòng vĩ độ 20° ở cả hai cực. Dữ liệu cho thấy ánh sáng phản xạ đặc trưng của nước đá, khác hẳn so với ánh sáng từ hydroxyl, nước ở thể khác, hay các bề mặt phản xạ khác. Nước đá có nhiều hơn ở cực Nam, tại các khu vực tồn tại lâu dài nhất trong bóng tối. Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng xác nhận sự tồn tại của các hố tối vĩnh cửu rất lạnh này, với các ảnh chụp nhờ ánh sáng của các sao.^tr.309 Tổng lượng nước ở các hố này vào khoảng hàng trăm tỷ tấn.^tr.309

Cuối năm 2020, các nhà thiên văn phát hiện phân tử nước ở phần bề mặt được chiếu sáng của Mặt trăng bằng thiết bị SOFIA. Những khe hở nhỏ khuất tối trong đất đá, ở cả vùng đất được chiếu sáng không quá xa cực, được cho là có thể bảo quản nước và chiếm tới khoảng 10–20% diện tích tối vĩnh cửu của Mặt trăng.

Trường hấp dẫn

Bản đồ trọng lực bề mặt Mặt trăng của GRAIL. Vùng màu đỏ là trọng trường mạnh, màu xanh là trọng trường yếu hơn.

Trường hấp dẫn của Mặt trăng đã được đo từ những năm 1960 thông qua ảnh hưởng lên quỹ đạo của các tàu không gian gần Mặt trăng, với gia tốc của các tàu được xác định nhờ dịch chuyển Doppler của sóng vô tuyến liên lạc giữa tàu và Trái đất. Tàu Lunar Prospector đã vẽ bản đồ trọng trường ở mặt gần vào những năm 1998-1999. Năm 2013, bản đồ trường hấp dẫn cho toàn bộ bề mặt Mặt trăng đã được thiết lập chi tiết bởi cặp tàu quỹ đạo GRAIL. Gia tốc trọng trường của Mặt trăng có những vùng cực đại địa phương ở tại một số bồn địa va chạm khổng lồ, một phần gây ra bởi mật độ khối lượng lớn của các dòng dung nham bazan biển lấp đầy những bồn địa đó. Tuy vậy, chỉ riêng dòng dung nham không thể giải thích tất cả dấu hiệu trọng lực và một số điểm tập trung trọng trường không nằm gần khu vực có hoạt động núi lửa ở biển Mặt trăng.

Gia tốc trọng trường trung bình trên bề mặt Mặt trăng là 1,63 m/s², khoảng một phần sáu so với gia tốc trọng trường Trái đất.^tr.226 Một bộ đồ phi hành gia Apollo 11 với hệ thống cung cấp dưỡng khí tổng cộng 91,3 kg sẽ chỉ tạo cảm giác nặng giống như khoảng 15 kg trên Trái đất. Tốc độ thoát khỏi Mặt trăng (tốc độ vũ trụ cấp 2) chỉ là 2,38 km/s so với 11,2 km/s ở Trái đất.^tr.226

Từ trường

Tổng cường độ từ trường ở bề mặt Mặt trăng, đo bởi tàu Lunar Prospector.

Mặt trăng có một từ trường ngoài với cường độ hầu hết dưới 0,2 nanotesla, chưa bằng một phần một trăm ngàn từ trường Trái đất. Hiện tại Mặt trăng không có từ trường lưỡng cực toàn cầu mà chỉ có lớp vỏ đã từ hóa, có thể là hệ quả của thời kỳ lịch sử khi vẫn còn tồn tại một dynamo hoạt động ở quy mô toàn cầu. Khoảng 4,25 đến 3,56 tỉ năm trước từ trường Mặt trăng có khả năng mạnh gần bằng từ trường Trái đất ngày nay. Trường dynamo thời đầu này có thể đã kéo dài đến cách đây khoảng 1,92 đến 0,80 tỉ năm, nhờ các dòng đối lưu hoạt động khi lõi Mặt trăng kết tinh. Trên lý thuyết, một số vùng từ hóa còn sót lại có thể được gây ra bởi từ trường thoáng qua của những đám mây plasma giãn nở trong những vụ va chạm lớn. Khi những đám mây này xuất hiện ở các vụ va chạm lớn, Mặt trăng vẫn đang có một nền từ trường đáng kể. Giả thuyết này được hỗ trợ bởi vị trí từ hóa mạnh nhất trên vỏ nằm gần điểm đối chân của những bồn địa va chạm lớn.

Khí quyển

Mặt trăng có khí quyển rất loãng đến nỗi các hạt khí gần như không va chạm với nhau, giống tầng ngoài khí quyển hành tinh, với tổng khối lượng được ước lượng là từ chưa đến 10 tấn đến khoảng 30 tấn. Các thiết bị của các tàu đổ bộ Apollo đo được mật độ hạt khí quyển khoảng 10⁷ hạt/cm³ vào ban ngày và cỡ 10⁵ hạt/cm³ vào ban đêm ở bề mặt Mặt trăng, gần như chân không so với khí quyển Trái đất (10¹⁹ hạt/cm³). Khí quyển bao gồm các chất khí thoát ra từ đất đá và khí sinh ra từ hoạt động phún xạ do gió mặt trời và bụi vũ trụ bắn phá thổ nhưỡng Mặt trăng. Các nguyên tố được phát hiện có natri và kali sinh ra do phún xạ và giải hấp nhiệt (cũng có trong khí quyển Sao thủy và Io); helium-4 và neon chủ yếu từ gió mặt trời; argon-40, radon-222 và các đồng vị poloni được tạo ra bởi giải hấp nhiệt hoặc thoát khí sau khi hình thành từ phân rã phóng xạ trong lớp vỏ và lớp phủ. Tổng mật độ của các nguyên tố trên vẫn còn nhỏ hơn nhiều mật độ khí quyển Mặt trăng, do đó các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm sự hiện diện của những phân tử và nguyên tử khác ở khí quyển, đặc biệt là các chất mà có thể được sinh ra từ lớp đất mặt. Chandrayaan-1 đã phát hiện hơi nước với nồng độ thay đổi theo vĩ độ, nhiều nhất tại khoảng 60–70 độ. Hơi nước có thể được sinh ra từ sự thăng hoa nước đá ở lớp đất mặt. Những khí này quay lại lớp đất mặt do trọng lực của Mặt Trăng hoặc biến mất vào không gian do áp lực bức xạ mặt trời hoặc nếu chúng bị ion hóa thì bị thổi bay bởi từ trường gió mặt trời.

Cát bụi

Minh họa nghệ thuật cho vệ tinh LADEE đo bụi Mặt trăng, bay gần bề mặt vào hoàng hôn, với quầng sáng gây ra bởi tán xạ của tầng bụi.

Có một đám mây bụi bất đối xứng bao quanh Mặt trăng, được tạo ra do hoạt động của các hạt bụi sao chổi. Ước chừng khoảng 0,1 đến 0,6 picôgam bụi sao chổi bay vào mỗi mét vuông bề mặt vùng xích đạo Mặt trăng mỗi giây, với tốc độ khoảng 20 kilômét trên giây. Các hạt này va đập lên bề mặt và làm bụi ở bề mặt Mặt trăng bắn lên, với tốc độ đại diện khoảng vài trăm mét trên giây, rồi rơi trở lại bề mặt. Trung bình, lớp bụi bay lơ lửng trên bề mặt Mặt trăng có tổng khối lượng khoảng 120 kilogam, dày hàng trăm kilomét. Các phép đo bụi đã được thực hiện bởi Thí nghiệm Bụi Mặt trăng (LDEX) của LADEE, trong khoảng 6 tháng với độ cao từ gần bề mặt đến trên 200 km. LDEX đo được trung bình có một hạt bụi cỡ 0,3 micromét trong mỗi phút. Số lượng hạt bụi tăng lên vào các đợt có mưa sao băng Geminid, Quadrantid, Taurid và Omicron Centaurid, khi Trái đất và Mặt trăng đi ngang qua những đám tàn tích sao chổi. Đám mây bụi của Mặt trăng bất đối xứng, có mật độ cao hơn ở đường biên giữa nửa ban ngày và nửa ban đêm của Mặt trăng.

Các nhà du hành vũ trụ đặt chân lên Mặt trăng trong chương trình Apollo đã chứng kiến những quầng sáng gần đường chân trời trước lúc bình minh, một hiện tượng cũng được quan sát bởi một số vệ tinh và tàu đổ bộ, có thể được gây ra bởi lớp bụi ở trên cao hoặc do các khí natri và kali của khí quyển.

Quá khứ

Năm 2017, một nghiên cứu dựa trên mô hình phun trào dung nham theo thời gian cho thấy một khí quyển khá dày của Mặt trăng trong khoảng thời gian dài cỡ 70 triệu năm, giữa 3 và 4 tỷ năm trước. Khí quyển này chứa các khí sinh ra bởi các vụ phun trào núi lửa Mặt trăng và có áp suất khoảng gấp rưỡi so với khí quyển Sao hỏa ngày nay. Bầu khí quyển cổ đại này đã bị mất dần vào không gian chủ yếu do chuyển động nhiệt của các hạt khí với tốc độ đạt trên tốc độ vũ trụ cấp 2.

Chuyển động và mùa

Mặt trăng tự quay quanh trục với chu kỳ phụ thuộc vào hệ quy chiếu: so với nền sao ở xa, chu kỳ này là chu kỳ sao,^tr.46 27,3 ngày Trái đất, còn so với Mặt trời thì chu kỳ này là chu kỳ giao hội,^tr.45 29,5 ngày Trái đất. Đối với quan sát viên đứng yên trên bề mặt Mặt trăng, Mặt trời mọc và lặn theo chu kỳ đúng bằng chu kỳ giao hội. Mặt trăng quay quanh Trái đất và bị khóa thủy triều so với Trái đất, khiến cho chu kỳ sao của chuyển động tự quay của Mặt trăng đúng bằng chu kỳ quỹ đạo của Mặt trăng quanh Trái đất,^tr.10 và chu kỳ giao hội tự quay cũng bằng chu kỳ giao hội quỹ đạo (còn gọi là "tháng giao hội").^tr.331 Chu kỳ giao hội quỹ đạo cũng là chu kỳ pha Mặt trăng khi quan sát từ Trái đất (còn gọi là "tuần trăng").^tr.123tr.331

Hố Shackleton với rìa có các đỉnh sáng vĩnh cửu và đáy là hố tối vĩnh cửu.

Độ nghiêng trục quay của Mặt trăng so với hoàng đạo chỉ là 1,54°, nhỏ hơn nhiều so với 23,5° của Trái đất.^tr.108 Do đó bức xạ Mặt trời lên Mặt trăng cũng ít thay đổi theo mùa hơn, ngoại trừ tại vùng gần cực, nơi mà yếu tố địa hình và yếu tố mùa đều có ảnh hưởng.

Năm 2005, một phân tích về các ảnh chụp bởi tàu vũ trụ Clementine cho thấy các khu vực nhiều núi non ở vành hố va chạm Peary tại cực bắc có thể được chiếu sáng trong toàn bộ cả ngày Mặt trăng, tạo ra những đỉnh núi sáng vĩnh cửu. Các nghiên cứu sau này, từ 2005 đến 2013, cho rằng vùng rìa Peary có thể bị che khuất vào mùa đông, tuy nhiên xác nhận nhiều địa điểm ở vùng này và rìa hố va chạm khác gần hai cực có tỷ lệ nhận sáng từ 80% đến trên 90% trung bình năm, bao gồm rìa hố Shackleton gần cực nam. Tương tự, có nhiều khu vực nằm mãi mãi trong bóng tối ở đáy của những hố va chạm gần cực, và các "hố tối vĩnh cửu" này cực lạnh.

Tuy có thể tính được nhiệt độ trung bình bề mặt của Mặt trăng, nhưng nhiệt độ thực tế ở từng địa điểm có thể lệch so với mức trung bình hàng chục độ K, tùy theo điều kiện địa hình (độ dốc, bóng râm, kiến trúc tán xạ ánh sáng và nhiệt), độ phản xạ sáng và bức xạ hồng ngoại của bề mặt địa phương, và tính chất nhiệt (nhiệt dung, độ dẫn nhiệt) của khu vực. Do thiếu khí quyển hay thủy quyển để ổn nhiệt, nhiệt độ bề mặt thay đổi mạnh trong ngày của Mặt trăng.^tr.314 Vào giữa trưa, nhiệt độ của đất đá màu sẫm có thể lên trên 100°C; còn trong ban đêm (kéo dài khoảng hai tuần, tương đương với thời lượng ban ngày của Mặt trăng), nhiệt độ đất xốp giảm xuống khoảng -180°C.^tr.314 Nơi có nhiệt độ ổn định và không quá lạnh là các đỉnh núi sáng vĩnh cửu gần cực, khoảng -50±10°C, được cho là phù hợp để định cư vì dễ tiếp cận năng lượng Mặt trời và nguồn nước đá ở các hố tối vĩnh cửu gần đó.

Hệ Trái đất - Mặt trăng

Mô hình thu nhỏ của Hệ Trái đất - Mặt trăng: kích thước và khoảng cách trung bình theo đúng tỷ lệ.^tr.19

Khoảng cách và kích thước góc Mặt trăng thay đổi theo chuyển động quanh Trái đất, từ cận điểm gần nhất sang viễn điểm xa nhất.^{tr.3-5tr.308-309}

Quỹ đạo

Hệ Mặt trăng và Trái đất quay quanh khối tâm nằm ở dưới bề mặt Trái đất khoảng 1.700 km (khoảng một phần tư bán kính Trái đất), theo các quỹ đạo gần giống hình elip có độ lệch tâm nhỏ.^tr.16 So với nền các ngôi sao ở xa, hệ này quay hết đúng một vòng trong chu kỳ quỹ đạo (hay "tháng vũ trụ", "tháng sao") là 27,3 ngày.^tr.223-224 Do khối tâm của hệ chuyển động trên quỹ đạo quanh Mặt trời, nên để Mặt trăng quay trở lại cùng một pha, cần khoảng thời gian lâu hơn là chu kỳ giao hội quỹ đạo (hay "tháng giao hội", "tuần trăng") 29,5 ngày.^{tr.223-224tr.123} Nếu nhìn từ cực bắc, hệ Mặt trăng-Trái đất quay theo chiều ngược kim đồng hồ, trùng chiều quay của hệ quanh Mặt trời và chiều quay trên quỹ đạo của các hành tinh khác trong Hệ Mặt trời, đồng thời cũng là chiều tự quay của Trái đất, Mặt trăng và hầu hết các hành tinh này.^{tr.236-237tr.223-224} Mặt phẳng quỹ đạo của hệ, còn gọi là mặt phẳng bạch đạo, không lệch nhiều so với mặt phẳng quỹ đạo của hệ quanh Mặt trời, còn gọi là mặt phẳng hoàng đạo,^{tr.253-257tr.308} và cũng không lệch nhiều so với mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh khác trong Hệ Mặt trời.^tr.236 Trong khi đó, khoảng một phần ba trong số các vệ tinh tự nhiên khác trong hệ Mặt trời chuyển động trên quỹ đạo nằm gần mặt phẳng xích đạo của hành tinh mà chúng quay quanh theo cùng chiều quay,^tr.410 đa số lệch nhiều so với mặt phẳng hoàng đạo,^tr.389 và phần lớn các vệ tinh khác quay ngược chiều hành tinh theo các quỹ đạo bất thường và cách xa hành tinh.^tr.410

Các pha Mặt trăng: trăng tròn (rằm) ở giữa, khi Mặt trăng ở đối diện Mặt trời qua Trái đất; trăng tối (không trăng), ở ngoài cùng hai bên, khi Mặt trăng ở cùng phía Mặt trời; trạng thái trung gian là trăng khuyết, bán nguyệt, lưỡi liềm.^tr.268tr.121 Do hệ Trái đất-Mặt trăng chuyển động quanh Mặt trời, từ trái qua phải trên hình, để Mặt trăng quay trở lại cùng một pha, cần khoảng thời gian là chu kỳ giao hội quỹ đạo, lâu hơn so với chu kỳ quỹ đạo;^tr.123 với chênh lệch thể hiện bằng cung màu xanh nõn chuối ở ngoài cùng bên phải trên hình.

Quỹ đạo của Mặt trăng bị gây nhiễu bởi Mặt trời, Trái đất, và ở mức độ ít hơn là các hành tinh, khiến cho tất cả các thông số của quỹ đạo, như độ nghiêng, độ lệch, bán trục lớn, điểm nút, củng điểm ... đều biến động nhỏ một cách tuần hoàn và phức tạp.^tr.10 Ví dụ, mặt phẳng quỹ đạo của Mặt trăng tiến động theo chu kỳ 18,6 năm, và ảnh hưởng đến các khía cạnh khác của chuyển động, thể hiện ở các công thức toán học trong các định luật Cassini. Ví dụ khác là độ lệch tâm quỹ đạo của Mặt trăng thay đổi theo chu kỳ 206 ngày, khiến cho cận điểm và viễn điểm quỹ đạo của Mặt trăng cũng biến động theo chu kỳ này.

Vì quỹ đạo elip, khoảng cách từ tâm Trái đất đến tâm Mặt trăng biến đổi theo chu kỳ quỹ đạo 27,3 ngày, chồng lên chu kỳ thay đổi của độ lệch tâm quỹ đạo 206 ngày. Khoảng cách tới củng điểm quỹ đạo thay đổi theo độ lệch tâm quỹ đạo; với cận điểm gần nhất ở khoảng 356400km, xa nhất ở khoảng 370400km; viễn điểm gần nhất khoảng 404000km, xa nhất khoảng 406700km. Các chấm tròn trên đồ thị ứng với các thời điểm trăng tròn.

Tương quan kích thước

Xét tương quan với Trái đất, Mặt trăng là một vệ tinh tự nhiên lớn lạ thường: nó có đường kính bằng khoảng một phần tư^tr.19 và khối lượng bằng 1/81 Trái đất.^tr.304 Mặt trăng là vệ tinh lớn nhất trong Hệ Mặt trời nếu so tương quan với kích cỡ hành tinh của chúng, dù vậy Charon có kích thước trên một nửa hành tinh lùn Pluto.^tr.426-432 Mặt trăng chiếm phần lớn mômen động lượng của hệ Trái đất - Mặt trăng, và khiến Trái đất quay quanh khối tâm Trái đất-Mặt trăng một lần một tháng vũ trụ với tốc độ bằng 1/81 Mặt trăng hay khoảng 12,5 m/s.^{tr.444-445tr.16} Chuyển động này chồng lên chuyển động quay của Trái đất quanh Mặt trời với tốc độ lớn hơn nhiều khoảng 30 km/s.^tr.245

Thủy triều

Lực thủy triều do Mặt trăng gây ra ở mỗi điểm trên Trái đất có thể coi như chênh lệch lực hấp dẫn của Mặt trăng tại điểm đó so với tại tâm Trái đất.^tr.661

Theo định luật vạn vật hấp dẫn, lực hấp dẫn giữa hai vật thể giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa chúng.^tr.630 Do vậy, với hệ hai thiên thể ở cạnh nhau, phần bề mặt trên thiên thể này nằm gần thiên thể kia hơn sẽ chịu lực hút mạnh hơn một chút so với phần nằm xa.^tr.661 Chênh lệch lực hút này tạo ra lực thủy triều.^tr.661 Đối với hệ Trái đất - Mặt trăng, lực thủy triều bóp méo cả Trái đất và Mặt trăng, gây ra nhiều hiệu ứng quan sát được.^tr.665

Nếu Mặt trăng từng tự quay quanh trục của nó với tốc độ nhanh hơn hoặc chậm hơn tốc độ hiện tại, lực thủy triều làm tốc độ này thay đổi dần cho đến khi chu kỳ tự quay đúng bằng chu kỳ quỹ đạo quanh Trái đất, khiến Mặt trăng luôn hướng một mặt về Trái đất - được gọi là bị khóa đồng bộ (hay khóa thủy triều, đồng bộ thủy triều).^{tr.665tr.426-432} Nguyên nhân là lực thủy triều bởi Trái đất làm biến dạng Mặt trăng liên tục nếu nó vẫn còn quay so với phương nối đến Trái đất, gây nên ma sát trong lòng Mặt trăng tiêu hao năng lượng quay này, tạo thành mômen lực cản. Qua thời gian cỡ hàng ngàn năm, trong hệ quy chiếu gắn với phương nối đến Trái đất, động năng quay của Mặt trăng biến mất vì đã chuyển hóa hết thành nhiệt năng, Mặt trăng không còn chuyển động quay so với phương nối đến Trái đất và luôn có một mặt hướng về Trái đất. Ở trạng thái khóa thủy triều cân bằng bền, thế năng Mặt trăng nhỏ nhất và Mặt trăng chỉ có thể nằm theo một trong hai tư thế cố định đối xứng nhau qua tâm. Ngày nay Mặt trăng ở tư thế với khối tâm nằm cách tâm hình học khoảng 1,8km về phía gần Trái đất hơn. Vào năm 2016, các nhà khoa học hành tinh sử dụng dữ liệu thu thập bởi vệ tinh Lunar Prospector từ năm 1998 và phát hiện hai vùng giàu hydro (khả năng năng cao từng là các vùng có nước đá) trên hai mặt đối diện của Mặt trăng. Có thể hai mảng này là hai cực của Mặt trăng cách đây hàng tỉ năm trước, ở tư thế khóa thủy triều cân bằng bền với phân bổ khối lượng trong lòng Mặt trăng khác hiện nay.

Thành phần gây bởi Mặt trăng của sóng thủy triều trên toàn cầu biến đổi theo chu kỳ khoảng 12,42 giờ; phần màu xanh là triều dâng, màu nâu là triều hạ.^tr.239tr.40

Mặt trăng cũng tạo ra lực thủy triều trên Trái đất, tác động lên cả đại dương và lớp vỏ đất đá của Trái đất.^tr.125 Hiệu ứng rõ rệt nhất là làm đại dương lý tưởng, nếu không có lục địa, sẽ nằm cân bằng ở hình dạng ellipsoid với hai "bướu" nhô lên khoảng một mét, một bướu nằm gần Mặt trăng, và bướu kia nằm đối diện.^tr.125-126 Trên thực tế, do Trái đất tự quay trong trường lực thủy triều, đại dương không bao giờ kịp đạt hình dạng cân bằng vì giới hạn của tốc độ sóng và sự cản trở bởi nhiều yếu tố.^tr.8 Lực trủy triều và chuyển động quay của Trái đất tạo ra những sóng thủy triều với bước sóng hàng nghìn cây số, đỉnh sóng ứng với triều dâng và đáy sóng ứng với triều hạ.^tr.1-2 Thành phần của sóng này gây bởi Mặt trăng biến đổi theo chu kỳ 12,42 giờ, đúng bằng một nửa chu kỳ quay của một điểm bất kỳ trên bề mặt Trái đất so với Mặt trăng.^tr.40 Mặt trời cũng gây ra hiện tượng thủy triều trên Trái đất, nhưng lực thủy triều của Mặt trời chỉ bằng khoảng một nửa so với Mặt trăng.^tr.665 Tổng hợp tác động của lực thủy triều Mặt trăng và Mặt trời làm thay đổi phạm vi thủy triều với chu kỳ tuần hoàn khoảng hai tuần.^tr.127 Phạm vi thủy triều ở từng nơi còn phụ thuộc địa hình biển, ma sát giữa đại dương với đáy biển, độ nhớt biển, nhiễu loạn dòng chảy, và cả các điều kiện khí tượng.^tr.2

Lực thủy triều cũng gây ra các "bướu" ở phần lõi và vỏ đất đá của Trái đất, với phạm vi chỉ khoảng 20 cm.^tr.125-127 Khác với đại dương, nơi mà lực thủy triều gây ra chuyển động của các khối chất lỏng,^tr.125-127 phần lõi và vỏ đất đá của Trái đất bị nhào bóp một cách đàn hồi và dẻo dưới tác động của lực thủy triều. Ma sát trong các khối đại dương chuyển động dưới lực thủy triều, và ở mức độ nhỏ hơn là ma sát trong chuyển động dẻo của lõi đất đá, làm tiêu tán dần năng lượng tự quay của Trái đất, khiến ngày Trái đất dài thêm khoảng 0,002 giây sau mỗi thế kỷ.^tr.128 Một nghiên cứu vào năm 2016 gợi ý về khả năng lực thủy triều đã giúp duy trì từ trường Trái đất, do động năng và thế năng của hệ Trái đất-Mặt trăng-Mặt trời đã chuyển hóa thành nhiệt năng và động năng ở lõi Trái đất bởi sự nhào bóp của thủy triều, làm ổn định nhiệt độ cao và khả năng sinh ra từ trường của lõi. Do bảo toàn mô men động lượng trong hệ Trái đất - Mặt trăng, phần mô men động lượng mất đi ở chuyển động tự quay của Trái đất được chuyển hóa sang mô men động lượng của Mặt trăng, làm quỹ đạo Mặt trăng tăng dần độ cao với tốc độ quỹ đạo giảm dần.^tr.128 Thí nghiệm đo khoảng cách Mặt trăng bằng cách chiếu laser lên các tấm hồi phản được chương trình Apollo lắp đặt trên bề mặt Mặt trăng cho thấy khoảng cách tới Mặt trăng tăng với tốc độ 38 mm mỗi năm (cỡ tốc độ mọc của móng tay người).^tr.128tr.2

Ngày nay, hiện tượng bình động của Mặt trăng gây ra chênh lệch lực hấp dẫn từ Trái Đất, tạo hiệu ứng thủy triều bởi Trái đất cho Mặt trăng.^{tr.166-170tr.17}

Nếu quá trình này tiếp tục diễn ra, chu kỳ tự quay của Trái đất sẽ dài ra đến khi bằng với chu kỳ quỹ đạo của chuyển động quay quanh nhau của hệ Trái đất - Mặt trăng, tạo ra khóa thủy triều ở cả hai thiên thể.^tr.128 Khi đó Mặt trăng sẽ đứng yên tại một kinh tuyến, như một vệ tinh địa tĩnh, giống như trường hợp của Pluto và Charon hiện nay.^tr.128 Tuy nhiên, trong tương lai, Mặt trời sẽ trở thành một sao đỏ khổng lồ và sẽ nuốt chửng hệ Trái đất - Mặt trăng trước khi hiện tượng khóa thủy triều ở cả hai thiên thể này xảy ra.^tr.184

Hiện tại, Mặt trăng vẫn chịu tác động nhỏ của lực thủy triều gây ra bởi Trái đất và Mặt trời. Phạm vi thủy triều trên Mặt trăng là 10 cm và biến đổi chủ yếu theo chu kỳ 27 ngày, với hai thành phần: thành phần theo phương hướng đến Trái đất và gây ra bởi Trái đất, vì Mặt trăng đã bị khóa thủy triều trong quỹ đạo đồng bộ, và thành phần nhỏ hơn gây bởi Mặt trời. Thành phần gây bởi Trái đất là do sự bình động của Mặt trăng, vì quỹ đạo của Mặt trăng có độ lệch tâm.^tr.166-170 Nếu quỹ đạo của Mặt trăng tròn hoàn hảo thì chỉ có thành phần lực thủy triều gây ra bởi Mặt trời.^tr.166-170 Thành phần gây bởi Mặt trời là nhỏ và biến đổi theo một số chu kỳ khác nữa, như chu kỳ 2 tuần, 1 tháng, 7 tháng, 1 năm, 6 năm, 18,6 năm. Ứng suất tích lũy từ các lực thủy triều gây ra các đợt động đất ở sâu trong lòng Mặt trăng, đo được bởi các địa chấn kế mà chương trình Apollo đặt trên Mặt trăng. Động đất Mặt trăng ít xảy ra hơn, có cường độ yếu hơn so với động đất trên Trái đất, nhưng có thể kéo dài hàng giờ, do không có thủy quyển hấp thụ. Ngoài động đất sâu do thủy triều, xảy ra theo các đợt với chu kỳ 27 ngày, còn có động đất nông ở các vùng địa chất yếu gần vỏ và động đất do va chạm với thiên thạch, xảy ra ngẫu nhiên theo thời gian.

Diện mạo nhìn từ Trái đất

Do khóa thủy triều, Mặt trăng luôn luôn duy trì gần như một mặt hướng về Trái đất.^tr.665 Tuy nhiên bởi hiệu ứng bình động, từ Trái đất thực tế có thể quan sát khoảng 59% bề mặt Mặt trăng.^tr.18 Mặt đối diện Trái đất được gọi là mặt gần (hay "mặt trước") còn mặt kia là mặt xa (hay "mặt khuất", "mặt sau").^{tr.224tr.124,305tr.27} Mặt xa thỉnh thoảng bị gọi không chính xác là "mặt tối" nhưng thực tế nó được soi sáng thường xuyên như mặt gần theo chu kỳ 29,5 ngày.^tr.124 Mặt gần tối vào kỳ trăng tối (hay pha "không trăng").^tr.268

Nhìn từ bán cầu bắc, cực bắc Mặt trăng ở phía trên; nhìn từ bán cầu nam, Mặt trăng sẽ lộn ngược với cực bắc ở quay xuống dưới.

Mặt trăng có suất phản chiếu thấp khác thường, gần tương đương nhựa đường.^tr.59 Mặc dù vậy ở pha trăng tròn, Mặt trăng là vật thể sáng thứ hai trên bầu trời sau Mặt trời,^tr.120-121 một phần do sự tăng cường ánh sáng phản xạ ở góc hướng về phía Mặt trời bởi hiệu ứng xung đối. Hiệu ứng xung đối, một đặc tính phản xạ của đất xốp và bề mặt gồ ghề, làm cho Mặt trăng tại pha bán nguyệt chỉ sáng bằng một phần mười trăng tròn chứ không phải một nửa,^tr.59 và phần ngoài rìa trăng tròn sáng gần bằng ở tâm, tức là không có hiệu ứng rìa tối. Mắt người cảm nhận Mặt trăng là vật thể sáng trên nền trời xung quanh tối, khi nó được Mặt trời chiếu rọi, còn do cơ chế bất biến mức sáng trong hệ thống thị giác tự động hiệu chỉnh quan hệ màu sắc và độ sáng với môi trường. Mặt trăng trông lớn hơn khi gần đường chân trời nhưng đây hoàn toàn là hiệu ứng tâm lý gọi là ảo ảnh mặt trăng được mô tả lần đầu vào thế kỷ 7 trước công nguyên. Trăng tròn trên bầu trời có đường kính góc trung bình khoảng hơn 31 phút cung và kích cỡ biểu kiến gần tương đương Mặt trời.^{tr.308,309,340}

Độ cao lớn nhất của Mặt trăng tại trung thiên thay đổi theo pha và thời gian trong năm.^tr.8 Trăng tròn cao nhất trên bầu trời vào mùa đông đối với cả hai bán cầu.^tr.8 Sự định hướng của hình ảnh Mặt trăng, thể hiện rõ ở hướng của đường ranh giới sáng tối ở pha không tròn, phụ thuộc vào vĩ độ của địa điểm quan sát.^tr.99 Người ở bán cầu nam nhìn hình Mặt trăng lộn ngược so với người ở bán cầu bắc của Trái đất. Một người quan sát ở miền nhiệt đới có thể thấy trăng lưỡi liềm hình mặt cười. Tại hai cực Bắc và Nam, Mặt trăng mọc trên bầu trời liên tục trong gần hai tuần, rồi biến mất liên tục trong gần hai tuần, rồi lặp lại như vậy, theo chu kỳ 27,3 ngày. Ở vùng Bắc Cực vào mùa đông, khi Mặt trời nằm phía dưới đường chân trời, sinh vật phù du di cư theo chiều thẳng đứng, với chu kỳ hằng ngày - 24,8 giờ đồng hồ - của ánh sáng Mặt trăng, và chu kỳ hàng tháng - 29,5 ngày - của pha Mặt trăng. Chu kỳ hằng ngày của ánh sáng Mặt trăng dài hơn 24 giờ thông thường do Mặt trăng quay cùng chiều với chiều quay của Trái đất; điều này khiến cho, vào mỗi ngày, Mặt trăng mọc muộn hơn ngày trước khoảng 0,8 giờ đồng hồ.^{tr.120-121tr.8}

So sánh kích thước biểu kiến: bên trái là Mặt trời, bên phải là Mặt trăng; bên dưới ở cận điểm gần nhất, bên trên ở viễn điểm xa nhất - Mặt trăng ở cận điểm gần nhất trông lớn hơn 14% so với ở viễn điểm xa nhất và lớn hơn Mặt trời.^{tr.308,309,340tr.496}

Khoảng cách giữa Mặt trăng và Trái đất thay đổi từ khoảng 356.400 km tại cận điểm gần nhất đến 406.700 km tại viễn điểm xa nhất, chênh nhau 14%. Nếu Mặt trăng nằm tại cận điểm gần nhất đồng thời đang ở pha trăng tròn thì nó được gọi là siêu trăng; còn trăng tròn xảy ra ở viễn điểm xa nhất được gọi là vi trăng. Siêu trăng sáng hơn 30% so với vi trăng, do có đường kính góc lớn hơn 14% và diện tích sáng gấp 1,14² ≈ 1,30. Mắt người cảm nhận thay đổi độ sáng ít hơn so với mức thay đổi cường độ sáng thực tế, theo một số công thức liên hệ, như công thức logarit của định luật Weber–Fechner hoặc công thức của định luật lũy thừa Stevens. Như vậy, Mặt trăng ở một pha tại cận điểm sẽ được cảm nhận sáng hơn so với Mặt trăng ở cùng pha đó tại viễn điểm, nhưng độ sáng hơn cảm nhận được không nhiều đến mức 30%.

Đã có các báo cáo về sự thay đổi qua thời gian của một số đặc điểm trên bề mặt Mặt trăng. Nhiều khẳng định như vậy bị cho là hão huyền và là kết quả từ việc quan sát dưới những điều kiện ánh sáng khác nhau, ảnh hưởng của khí quyển, hay những bản vẽ không phù hợp. Tuy nhiên, sự thoát khí thi thoảng diễn ra và có thể là nguyên nhân của một tỉ lệ nhỏ hiện tượng thoáng qua được báo cáo. Một ví dụ được chỉ ra vào năm 2006 rằng một vùng đường kính khoảng 3 km ở cấu trúc Ina bị điều chỉnh bởi các sự kiện giải phóng khí cách đây không quá 10 triệu năm và có thể vẫn đang tiếp diễn.

Cũng như Mặt trời, hình dạng Mặt trăng có thể bị ảnh hưởng bởi khí quyển Trái đất. Hiệu ứng quang học phổ biến là hào quang 22° hình thành khi ánh sáng Mặt trăng khúc xạ qua những tinh thể băng trong những đám mây ti tầng cao và quầng sáng nhỏ hơn khi Mặt trăng được quan sát qua mây mỏng.

Thiên thực

Sơ đồ minh họa nhật thực toàn phần.^tr.131

Nhìn từ Trái đất, Mặt trăng và Mặt trời tỏ ra cùng kích cỡ trong nhật thực toàn phần.^tr.132

Thiên thực xảy ra khi ít nhất một phần của Trái đất hoặc Mặt trăng đi vào bóng râm của thiên thể còn lại - lúc đó Mặt trời, Trái đất, Mặt trăng đều nằm trên một đường thẳng, gọi là sóc vọng.^{tr.129tr.255,318} Nhật thực là lúc Mặt trăng chắn ánh sáng Mặt trời đến một phần Trái đất, diễn ra vào một số kỳ trăng tối khi Mặt trăng nằm giữa Mặt trời và Trái đất.^tr.131 Ngược lại, nguyệt thực là lúc Trái đất chắn ánh sáng Mặt trời đến Mặt trăng, diễn ra vào một số kỳ trăng tròn khi Trái đất nằm giữa Mặt trời và Mặt trăng.^tr.133 Quỹ đạo Mặt trăng quanh Trái đất (bạch đạo) nghiêng khoảng 5°9' so với quỹ đạo của Trái đất quanh Mặt trời (hoàng đạo), do đó thiên thực không xảy ra tại mọi dịp trăng tối và trăng tròn.^{tr.254-255tr.308} Để thiên thực diễn ra thì Mặt trăng phải ở gần giao cắt của hai mặt phẳng quỹ đạo.^tr.253-257 Sự tái lặp của nhật thực và nguyệt thực được mô tả bằng saros, với chu kỳ xấp xỉ 18 năm một lần.^tr.253-257

Kích cỡ biểu kiến của Mặt trăng gần bằng Mặt trời và đều vào cỡ hơn nửa độ.^{tr.308,309,340} Mặt trời lớn hơn Mặt trăng nhiều nhưng do ở cách xa Trái đất hơn hẳn nên nó có kích cỡ biểu kiến tương đồng.^tr.253-257 Sự thay đổi trong kích cỡ biểu kiến của Mặt trăng do quỹ đạo không tròn, xảy ra trong những chu kỳ khác nhau, dẫn đến hai dạng nhật thực là toàn phần (Mặt trăng trông to hơn Mặt trời) và vành khuyên (Mặt trăng trông nhỏ hơn Mặt trời).^{tr.253-257tr.130}

Trong nhật thực toàn phần, chóp bóng tối nhất đằng sau Mặt trăng in lên một vùng nhỏ ở bề mặt Trái đất.^tr.131tr.253 Những người ở trong vùng bóng tối này sẽ thấy đĩa Mặt trời bị che phủ hoàn toàn và quầng mặt trời trở nên có thể quan sát bằng mắt thường.^tr.131-132 Một số hành tinh và những ngôi sao sáng nhất cũng có thể xuất hiện trên bầu trời trong nhật thực toàn phần.^tr.131 Khoảng 3000 km xung quanh vùng bóng tối là vùng bán dạ; những người ở vùng bán dạ thấy Mặt trời bị che khuất một phần bởi Mặt trăng.^tr.131tr.253 Do chuyển động của Trái đất và Mặt trăng trên quỹ đạo mà vết của chóp bóng tối, và cả vùng bán dạ, sẽ di chuyển về phía đông với tốc độ khoảng 1500 km/h.^tr.131 Do vậy, hiện tượng nhật thực toàn phần, đối với một người quan sát đứng yên trên mặt đất, chỉ kéo dài không quá 7 phút.^tr.131 Trong quãng thời gian kéo dài khoảng một giờ đồng hồ trước và sau khi diễn ra nhật thực toàn phần, người quan sát có thể chứng kiến nhật thực một phần.^tr.131-132

Khoảng cách giữa Mặt trăng và Trái đất gia tăng rất chậm qua thời gian, nên đường kính góc của Mặt trăng đang giảm chậm.^tr.128 Thêm nữa, do đang trong quá trình tiến hóa thành sao khổng lồ đỏ, kích cỡ và đường kính biểu kiến của Mặt trời trên bầu trời đang tăng chậm. Sự kết hợp của hai thay đổi này đồng nghĩa rằng hàng tỷ năm trước, Mặt trăng luôn luôn che phủ hoàn toàn Mặt trời trong nhật thực và không có nhật thực hình khuyên.^tr.496 Tương tự như thế, hàng tỷ năm sau, Mặt trăng sẽ không còn có thể che phủ hoàn toàn Mặt trời được nữa và nhật thực toàn phần cũng không còn.^tr.496

Sơ đồ minh họa nguyệt thực toàn phần.^tr.133

Khác với nhật thực, trong nguyệt thực, chóp bóng tối đằng sau Trái đất có thể bao phủ tới 4 lần Mặt trăng.^tr.132 Khi Mặt trăng không nằm hoàn toàn trong bóng tối của Trái đất, nguyệt thực một phần có thể được quan sát.^tr.133 Vì bóng tối của Trái đất là lớn so với Mặt trăng, nên nguyệt thực toàn phần kéo dài lâu hơn so với nhật thực toàn phần.^tr.133 Khoảng 20 phút trước khi Mặt trăng đi vào bóng tối Trái đất, Mặt trăng tròn đầy bị mờ dần đi, do Trái đất che bớt ánh sáng rọi đến nó.^tr.133 Khi Mặt trăng di chuyển trên quỹ đạo bắt đầu vào bóng tối Trái đất, hình dạng tròn của bóng tối Trái đất bắt đầu in lên bề mặt của Mặt trăng.^tr.133 Khi đã nằm hoàn toàn trong bóng tối của Trái đất, Mặt trăng vẫn có thể được nhìn thấy khá tối với màu hơi đỏ, được rọi sáng bởi ánh sáng Mặt trời đi cong qua khí quyển Trái đất.^tr.133 Nguyệt thực toàn phần có thể kéo dài đến một tiếng 40 phút, còn khoảng thời gian nguyệt thực một phần, trước và sau nguyệt thực toàn phần, có thể kéo dài khoảng 1 tiếng đồng hồ.^tr.133 Nguyệt thực toàn phần có thể được quan sát bởi tất cả mọi người ở nửa Trái đất quay về phía Mặt trăng, trái ngược với nhật thực toàn phần chỉ dành số ít nằm trong vệt đi qua của chóp bóng tối Mặt trăng.^tr.133

Do Mặt trăng liên tục chắn khung cảnh bầu trời một diện tích tròn rộng nửa độ,^tr.309 hiện tượng che khuất xảy ra khi một hành tinh hay ngôi sao sáng đi qua phía sau Mặt trăng và bị che mất.^tr.141 Chiếu theo khái niệm này thì nhật thực là sự che khuất Mặt trời,^tr.141 mặc dù có định nghĩa rằng che khuất là một trường hợp của thiên thực trong đó thiên thể bị che có kích thước biểu kiến nhỏ hơn nhiều. Mỗi vùng trên Trái đất có thể quan sát sự che khuất của các sao ở các thời điểm khác nhau và theo cách khác nhau, tương tự như với nhật thực, và hiện tượng che khuất từng được sử dụng để xác định vị trí của Mặt trăng và tọa độ địa lý của người quan sát.^tr.141 Sự che khuất bởi Mặt trăng cũng được tận dụng để phát hiện các cặp sao đôi với khoảng cách biểu kiến từ 0,02 giây cung.^tr.141 Đã có đề xuất sử dụng hiện tượng che khuất bởi Mặt trăng để dựng ảnh chụp tia X cứng của các nguồn thiên văn.

Khám phá

Trước thời du hành vũ trụ

Một trong các hình vẽ cổ của con người về Mặt trăng có thể là hình khắc trên đá vào 5000 năm trước ở di sản văn hóa thế giới Knowth của Ireland.

Tìm hiểu về các chu kỳ liên quan đến Mặt trăng là một phần của hoạt động thiên văn học thời kỳ đầu: vào thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên, các nhà thiên văn Babylon đã ghi chép chu kỳ saros khoảng 18 năm của nguyệt thực và nhật thực, và các nhà thiên văn Ấn Độ đã mô tả cự giác hàng tháng của Mặt trăng. Nhà thiên văn học Trung Quốc Thạch Thân, vào thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên, đã hướng dẫn cách tiên đoán nhật thực.^tr.411 Tiếp theo đó là việc hình thành các hiểu biết về hình dạng của Mặt trăng và cơ chế tạo nên ánh sáng Mặt trăng: nhà triết học Hy Lạp cổ đại Parmenídis (475 trước công nguyên) cho rằng ánh sáng của Mặt trăng là ánh sáng phản chiếu lại, và sách Chu Bễ ở Trung Quốc, khoảng thế kỷ thứ 6 đến thứ 4 trước công nguyên, cũng ghi chép rằng Mặt trời tạo nên ánh sáng Mặt trăng.^tr.227 Nhiều học giả Trung Quốc, từ cuối thời Chiến Quốc đến đời nhà Hán, đã ghi nhận hình dạng cầu của Mặt trăng và Mặt trời, và giải thích nhật thực gây bởi Mặt trăng che Mặt trời, mặc dù bị phản bác bởi những người theo học thuyết cho rằng Mặt trăng là thái âm và Mặt trời là thái dương.^tr.411-414

Bản vẽ Mặt trăng của Galileo Galilei trong cuốn sách Sidereus Nuncius (1610).

Bản đồ Mặt trăng trong cuốn Selenographia, sive Lunae descriptio (1647), bởi Johannes Hevelius, một trong những bản đồ đầu tiên có thể hiện các vùng lộ ra bởi hiện tượng bình động.^tr.132

Đầu thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, Arístarkhos xứ Sámios đã sử dụng hình học và một số căn cứ quan sát để ước lượng kích thước Mặt trăng.^tr.67-70 Arkhimídis, cuối thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, đã thiết kế một mô hình vũ trụ có thể tính toán chuyển động của Mặt trăng và các thiên thể khác trong Hệ Mặt trời. Vào thế kỷ thứ 2 trước Công nguyên, Sélefkos Seleukos đã nhận định thủy triều gây ra bởi sức hút của Mặt trăng, và độ cao của thủy triều phụ thuộc vào vị trí Mặt trăng so với Mặt trời. Sang đến thế kỷ thứ 2, Claudius Ptolemaeus đã cải thiện các kết quả tính toán về khoảng cách đến Mặt trăng, vào cỡ 59 lần bán kính Trái đất, và đường kính Mặt trăng, vào cỡ 0,292 đường kính Trái đất, rất sát với các con số đã biết hiện nay, là 60 và 0,273.^tr.71-73

Năm 499, nhà thiên văn Ấn Độ Aryabhata ghi chép trong cuốn sách Aryabhatiya của ông về hiện tượng nguyệt thực là do Mặt trăng đi vào bóng râm của Trái đất, và nhật thực là do Mặt trăng tạo bóng râm trên Trái đất, kèm theo công thức tính toán khá chính xác về kích thước các bóng râm, thời gian kéo dài của nguyệt thực và nhật thực, và các thông số quỹ đạo của Mặt trăng. Nhà thiên văn học và vật lý học người Ả Rập Alhazen (965–1040), bên cạnh nhiều phát hiện liên quan đến Mặt trăng, có nêu ra trong sách Ánh sáng Mặt trăng rằng Mặt trăng không phản xạ giống như một cái gương, mà phản xạ khuếch tán về mọi hướng. Nhà thiên văn Trầm Quát của nhà Tống đã viết vào năm 1086 về các pha trăng rằm và trăng tối, so sánh chúng với hình tượng quả cầu bạc có một nửa sơn bột trắng, sẽ có hình lưỡi liềm nếu nhìn từ bên cạnh, và giải thích rằng thiên thực không xảy ra thường xuyên do bạch đạo lệch với hoàng đạo.^tr.415-416

Những bản vẽ chi tiết bề mặt Mặt trăng đầu tiên, trước khi kính viễn vọng được sử dụng, là bản vẽ bởi Leonardo da Vinci khoảng năm 1505 đến 1508, và bản đồ của Williams Gilbert năm 1600, thể hiện tên riêng một số đặc điểm Mặt trăng.^tr.123-125 Năm 1610, Galileo Galilei đã xuất bản những bức vẽ đầu tiên về hình ảnh Mặt trăng quan sát qua kính viễn vọng, trong quyển sách Sidereus Nuncius, và ghi chép rằng thiên thể này không nhẵn mà có các núi non và các hố.^tr.125-126 Thomas Harriot cũng đã vẽ bản đồ Mặt trăng chi tiết gần thời gian này, nhưng không xuất bản.^tr.129 Việc vẽ bản đồ Mặt trăng được phát triển tiếp trong thế kỷ 17, dựa vào quan sát từ kính viễn vọng.^tr.130-132 Các nỗ lực của Giovanni Battista Riccioli và Francesco Maria Grimaldi, năm 1651, một phần dựa trên các công trình trước đó của Michael Florent van Langren, Johannes Hevelius và những người khác, đã tạo ra hệ thống đặt tên các đặc điểm Mặt trăng được sử dụng rộng rãi ngày nay, trong đó các hố va chạm được đặt tên theo các nhà khoa học lớn đã khuất.^tr.134 Wilhelm Beer và Johann Heinrich Mädler năm 1836 đã xây dựng bản đồ Mappa Selenographica, xuất bản vào năm 1837 trong cuốn sách Der Mond, chứa những nghiên cứu vi trắc chính xác về đường kính của 148 hố va chạm và chiều cao của 830 ngọn núi.^tr.246 Các hố trên Mặt trăng, lần đầu được ghi chép bởi Galileo, đã từng được cho là gây bởi hoạt động núi lửa, cho đến khi Franz von Gruithuisen, năm 1829, và Richard Proctor, năm 1873, đề xuất rằng chúng được tạo ra bởi các vụ va chạm.^tr.3 Quan điểm này được nhà địa chất thực nghiệm Grove Karl Gilbert đồng tình vào năm 1893, và tiếp tục được củng cố qua các nghiên cứu thực hiện từ các năm 1936 đến 1963, hình thành nên những hiểu biết về địa tầng học Mặt trăng, một nhánh mới của địa chất thiên văn.^tr.4-5

1958-1976

Trong thời gian từ 1958, năm khởi động chương trình Luna của Liên Xô, đến những năm 1970, năm kết thúc của chương trình Apollo và cả chương trình Luna, cuộc Chạy đua Vũ trụ giữa Liên Xô và Mỹ đã làm tăng đáng kể mối quan tâm và sự hiểu biết về Mặt trăng.^{tr.5-154tr.305-308tr.91-92} Một số nhà du hành vũ trụ đặt chân lên vệ tinh tự nhiên này, tuy nhiên khi cuộc đua này kết thúc, không còn có thêm nhiệm vụ thám hiểm nào đưa con người lên Mặt trăng.^tr.305-308

Liên Xô

Hình ảnh đầu tiên trong lịch sử về mặt xa của Mặt trăng do Luna 3 (Луна-3) chụp, 7 tháng 10 năm 1959.^tr.13-14

Sau ba nhiệm vụ không tên thất bại năm 1958, tàu không gian từ chương trình Luna của Liên Xô đã lần đầu tiên hoàn thành những mục tiêu sau: vật thể nhân tạo đầu tiên thoát khỏi trọng lực Trái đất và đi qua gần Mặt trăng là Luna 1, vật thể nhân tạo đầu tiên va chạm bề mặt Mặt trăng là Luna 2, và những bức ảnh đầu tiên về mặt xa của Mặt trăng mà bình thường ẩn dạng được chụp bởi Luna 3, tất cả đều vào năm 1959.^tr.5-16

Tàu không gian đầu tiên đổ bộ nhẹ nhàng lên Mặt trăng thành công là Luna 9 và phương tiện không người lái đầu tiên đi vào quỹ đạo quanh Mặt trăng là Luna 10, cả hai vào năm 1966.^tr.55-58 Các mẫu đất và đá được đem về Trái đất bởi ba nhiệm vụ trả về mẫu vật (Luna 16 năm 1970, Luna 20 năm 1972, và Luna 24 năm 1976) với tổng khối lượng 0,3 kg.^{tr.5tr.107,136} Hai cỗ máy thám trắc tiên phong trong chương trình Lunokhod của Liên Xô đã đặt chân lên Mặt trăng vào các năm 1970 và 1973.^tr.97-98,113

Luna 24 năm 1976 là nhiệm vụ thám hiểm Mặt trăng cuối cùng của Liên Xô.^tr.136

Hoa Kỳ

Buzz Aldrin đang rời khỏi Mô đun Mặt trăng Đại bàng trong chuyến đi Apollo 11 (1969) để trở thành người thứ hai đặt chân lên Mặt trăng.^tr.90

Năm 1961, sau khi Liên Xô đưa được Yuri Gagarin là người đầu tiên lên không gian, Tổng thống Hoa Kỳ John Fitzgerald Kennedy cam kết sẽ đưa con người lên Mặt trăng trước khi thập kỷ 1960 kết thúc.^tr.92 Cùng năm, NASA đã tiến hành các nhiệm vụ với mục tiêu đưa các tàu thăm dò không người lái lên Mặt trăng.^tr.22-23 Chương trình Ranger, sau 13 lần thất bại liên tiếp, đã cho những ảnh chụp cận cảnh vào năm 1964; chương trình Surveyor đã đưa tàu Surveyor 1 hạ cánh trên Mặt trăng sau Luna 9 khoảng 4 tháng; chương trình Tàu quỹ đạo Mặt trăng (1966-1967) đã chụp ảnh phần lớn bề mặt để khảo sát các vị trí dự kiến đổ bộ người.^{tr.40-41,58,60-65} Chương trình Apollo với các tàu có người lái được thực hiện song song.^tr.2tr.74 Sau một loạt thử nghiệm, gồm sự cố Apollo 1 làm thiệt mạng phi hành đoàn, và thành công của Apollo 7 đưa người lên quỹ đạo quanh Trái đất, năm 1968 Apollo 8 đã lần đầu tiên đưa người bay trên quỹ đạo quanh Mặt trăng.^{tr.2tr.14tr.32}

Năm 1969, vào hồi 02:56 UTC ngày 21 tháng 7, trong nhiệm vụ Apollo 11, phi hành gia Neil Armstrong đã trở thành người đầu tiên bước chân trên Mặt trăng.^tr.90tr.55 Sự kiện này đã được truyền hình trực tiếp và ước chừng có khoảng 600 triệu người trên toàn cầu đã xem.^tr.55

Các tàu Apollo đã mang về 381,7 kg đất đá Mặt trăng trong 2196 mẫu vật.^tr.5tr.298 Các nhiệm vụ Apollo cũng đã lắp đặt 14 loại thiết bị thí nghiệm địa vật lý của Gói Thí nghiệm Bề mặt Mặt trăng Apollo (ALSEP), tại các vị trí đổ bộ của Apollo 12, 14, 15, 16 và 17. Chúng được hoạt động cho đến tháng 9 năm 1977. Tuy nhiên thí nghiệm đo khoảng cách laser Mặt trăng của ALSEP chỉ dùng các thiết bị thụ động là các tấm gương hồi phản, nên vẫn được tiếp tục cho đến ngày nay. Việc đo khoảng cách vẫn thường xuyên được thực hiện bởi các tia laser phát ra từ các trạm ở Trái đất, với độ chính xác đạt đến cỡ milimét, để xác định thông số quỹ đạo và chuyển động tự quay của Mặt trăng, kiểm chứng thuyết tương đối rộng, quan trắc sự tiến động của Trái đất, theo dõi các hiệu ứng thủy triều với chuyển động của Mặt trăng, hỗ trợ tìm hiểu về lõi Mặt trăng.

Apollo 17 năm 1972 là chuyến bay cuối cùng của chương trình Apollo, trong đó có sự tham gia lần đầu của một nhà khoa học địa chất, Jack Schmitt, trong số các phi hành gia.^tr.305-308

Thập kỷ 1970 đến nay

SMART-1 bay quay Mặt trăng theo quỹ đạo thấp dần với động cơ phản lực điện Mặt trời.

Ảnh chụp xe tự hành Ngọc Thố 2 từ tàu đổ bộ Thường Nga 4 tại mặt xa của Mặt trăng.

Từ thập niên 1970, mối quan tâm trong thám hiểm vũ trụ bắt đầu hướng về các khu vực khác trong Hệ Mặt trời.^tr.98-99 Trong nhiều năm, Mặt trăng không được chú ý, cho đến khi hoạt động vũ trụ dần được quốc tế hóa.^tr.61

Từ những năm 1990, có thêm nhiều quốc gia tham gia khai phá trực tiếp Mặt trăng. Năm 1990, Nhật Bản là quốc gia thứ ba đưa tàu vũ trụ bay quanh Mặt trăng, tàu Hiten (ひてん).^tr.179 Con tàu này thả ra một đầu dò quỹ đạo mang tên Hagoromo, nhưng bộ phận truyền tín hiệu của đầu dò bị hỏng và nó đã không có đóng góp khoa học đáng kể nào.^tr.179 Năm 1994, Hoa Kỳ đưa tàu Clementine vào quỹ đạo Mặt trăng.^tr.185 Tàu Clementine đã vẽ bản đồ địa hình gần như toàn cầu đầu tiên cho Mặt trăng và chụp ảnh đa phổ toàn cầu đầu tiên cho bề mặt Mặt trăng. Tiếp đó, vào năm 1998, tàu Lunar Prospector của Hoa Kỳ đã phát hiện dư lượng hydro ở hai cực, có thể được sinh ra bởi nước đá ở các hố chìm trong bóng tối.^tr.205

SMART-1 là tàu vũ trụ đầu tiên của Liên minh Châu Âu hoạt động trên quỹ đạo Mặt trăng, từ ngày 15 tháng 11 năm 2004 cho đến khi được cho đâm xuống bề mặt vào ngày 3 tháng 9 năm 2006.^tr.229 Chuyến thám hiểm này đã cung cấp những kết quả chi tiết hơn về địa hình và khoáng vật bề mặt Mặt trăng.^tr.229

Chương trình Thám hiểm Mặt trăng của Trung Quốc bắt đầu với tàu Thường Nga 1.^tr.256 Thường Nga 1 đã bay quanh Mặt trăng từ ngày 5 tháng 11 năm 2007, thu thập bản đồ ảnh chụp toàn bộ Mặt trăng, và sau đó được điều khiển để đâm xuống thiên thể này ngày 1 tháng 3 năm 2009.^tr.256 Thường Nga 2, được phóng vào tháng 10 năm 2010, đã đến Mặt trăng nhanh hơn, vẽ bản đồ Mặt trăng ở độ phân giải cao hơn trong vòng 8 tháng, sau đó đi đến điểm Lagrange L2 của hệ Trái đất-Mặt trời, rồi bay qua tiểu hành tinh 4179 Toutatis ngày 13 tháng 12 năm 2012, và cuối cùng là đi vào khoảng không vũ trụ trong quỹ đạo quanh Mặt trời.^tr.272 Ngày 14 tháng 12 năm 2013, Thường Nga 3 (嫦娥三号) đã đưa một tàu đổ bộ lên bề mặt Mặt trăng.^tr.291 Tàu đổ bộ này sau đó thả ra một xe tự hành Mặt trăng có tên Ngọc Thố (玉兔).^tr.291 Thường Nga 4 cũng là một tàu mang theo xe tự hành đã được phóng vào năm 2019, trở thành tàu vũ trụ đầu tiên hạ cánh ở mặt xa của Mặt trăng. Thường Nga 5 đã được phóng lên Mặt trăng ngày 23 tháng 11 năm 2020 và sau đó đã mang về Trái đất 1,731 kg mẫu vật.

Từ tháng 10 năm 2007 đến ngày 10 tháng 6 năm 2009, tàu quỹ đạo Kaguya (かぐや) của Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản cùng với 2 vệ tinh nhân tạo nhỏ đi kèm để trung chuyển tín hiệu, đã thu thập các dữ liệu địa vật lý và ghi lại video độ phân giải HD đầu tiên trên quỹ đạo Mặt trăng.^tr.252

Nhiệm vụ khám phá Mặt trăng đầu tiên của Ấn Độ đã được thực hiện bởi tàu Chandrayaan-1, bay quanh thiên thể này từ ngày 8 tháng 11 năm 2008 cho đến khi bị mất tín hiệu ngày 28 tháng 8 năm 2009.^tr.259 Chandrayaan-1 đã thả một đầu dò đâm vào Mặt trăng, và thực hiện nhiều quan sát giúp xác nhận sự tồn tại của nước trên Mặt trăng.^tr.259 Sau nhiều lần bị trì hoãn, tàu quỹ đạo Mặt trăng Chandrayaan-2 (चन्द्रयान-२) đã được phóng vào tháng 7 năm 2019, mang theo tàu đổ bộ Vikram kèm xe tự hành Pragyan. Tàu quỹ đạo đã tách khỏi tàu đổ bộ vào ngày 2 tháng 9 năm 2019 và duy trì hoạt động quanh Mặt trăng cho đến nay, trong khi Vikram bắt đầu quy trình hạ cánh đến khu vực gần nam cực của Mặt trăng vào ngày 6 tháng 9 năm 2019, nhưng bị mất tín hiệu khi còn cách bề mặt 2,1 km.

Ngày 18 tháng 6 năm 2009, Hoa Kỳ phóng cùng lúc Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng và thiết bị va chạm LCROSS.^tr.265-268 LCROSS đã tạo ra hai va chạm ở hố Cabeus ngày 9 tháng 10 năm 2009, giúp phát hiện nước và nhiều nguyên tố quan trọng ở Cabeus, còn Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng hiện nay vẫn đang hoạt động, đo cao độ chính xác và chụp ảnh độ phân giải cao.^tr.265-268 Cặp tàu GRAIL của NASA, bắt đầu bay quanh Mặt trăng từ ngày 1 tháng 1 năm 2012, đã lập bản đồ trọng trường Mặt trăng ở độ phân giải cao. Ngày 6 tháng 10 năm 2013, tàu thăm dò LADEE của NASA đã đi vào quỹ đạo Mặt trăng, nghiên cứu tầng ngoài khí quyển Mặt trăng.^tr.287

Nga đã lên kế hoạch cho một căn cứ ở cực nam của Mặt trăng qua chuỗi các dự án Luna trong tương lai, Luna 25, 26, 27, 28, vân vân. Luna 25 dự kiến là tàu đổ bộ không người lái được phóng vào tháng 10 năm 2021 để hạ cánh đến hố Boguslawsky, còn Luna 27 và Luna 28 sẽ hạ cánh ở vùng cực nam Mặt trăng, với Luna 28 dự kiến mang theo xe tự hành và thiết bị đưa mẫu vật trở lại Trái đất, tất cả để chuẩn bị cho các chuyến thám hiểm Mặt trăng của các nhà du hành vũ trụ sau đó. Hoa Kỳ cũng đã công bố chương trình Artemis, với mục tiêu đưa con người trở lại Mặt trăng, với hai pha đã được khởi động song song. Pha 1 tập trung đưa người phụ nữ đầu tiên và người đàn ông tiếp theo lên vùng cực nam Mặt trăng vào 2024. Pha 2 phát triển các công nghệ cho phép con người sinh sống lâu dài ở trên Mặt trăng, và ở gần Mặt trăng, với các hệ thống tái sử dụng và các chuyến bay tái lặp đến nhiều địa điểm của Mặt trăng.

Hoạt động tư nhân

Ngoài các dự án của các quốc gia, cũng có các kế hoạch tư nhân để thám hiểm và khai thác Mặt trăng.^tr.160-184

Giải thưởng Mặt trăng X của Google (XPRIZE), công bố vào 2007, trao thưởng 30 triệu đô la Mỹ cho bất cứ tư nhân nào đưa được xe tự hành lên thiên thể này theo một số tiêu chí trước tháng 3 năm 2018.^tr.178-179 Tuy không có đội dự thi nào kịp hoàn thành nhiệm vụ để nhận thưởng, đội ngũ XPRIZE đã huy động được 300 triệu đô la tiền tài trợ và ít nhất 5 đội đã ký hợp đồng phóng tàu.^tr.179

Tháng 10 năm 2017, công ty Bigelow Aerospace, của tỷ phú Robert Bigelow, cùng công ty United Launch Alliance đã công bố về một dự án kho vận trên Mặt trăng.^tr.177 Dự án này có thể đi vào vận hành từ năm 2022, hỗ trợ cho các chương trình quay lại Mặt trăng và thám hiểm Sao hỏa của NASA.^tr.177 Bigelow có các kế hoạch kho vận ở trên quỹ đạo quanh Mặt trăng, cũng như trên bề mặt Mặt trăng.^tr.177-178

Mô hình của ba tàu đổ bộ của các nhà thầu tư nhân được chọn cho chương trình Dịch vụ Vận tải Mặt trăng Thương mại, một phần của chương trình Artemis; từ trái qua phải: Peregrine của Astrobotic, Nova-C của Intuitive Machines và Z-01 của OrbitBeyond.^tr.57-62

Ngày 17 tháng 9 năm 2018, công ty liên vận vũ trụ SpaceX của tỷ phú Elon Musk đã có hợp đồng với hành khách tư nhân đầu tiên mà họ sẽ đưa lên Mặt trăng, dự kiến vào 2023, là Yusaku Maezawa.^tr.175 Musk cũng có kế hoạch về một cơ sở tại Mặt trăng, như một phần trong chương trình đến Sao hỏa.^tr.175

Tháng 9 năm 2018, chương trình Dịch vụ Vận tải Mặt trăng Thương mại, một phần của chương trình Artemis của NASA, đã mở thầu cho các công ty tư nhân, để cung cấp dịch vụ vận tải cho các tàu đổ bộ và xe tự hành nhỏ lên Mặt trăng.^tr.5 Một số công ty đã từng tham gia XPRIZE trước đây cũng tham gia lần này, và một số trong đó đã được lựa chọn, như Astrobotic.^tr.57tr.6 Astrobotic cũng hợp tác với công ty ATLAS Space Operations để phát triển kênh liên lạc bằng laser từ Mặt trăng, cho phép thực hiện các tác vụ cần lưu lượng dữ liệu lớn, như trải nghiệm thực tại ảo trên Mặt trăng.^tr.181

Công ty Blue Origin của tỷ phú Jeff Bezos đã lên kế hoạch cho chương trình vận tải đến Mặt trăng, bắt đầu từ khoảng giữa thập niên 2020, mang tên Blue Moon.^tr.173-174 Blue Moon sẽ cung cấp cho NASA các giải pháp vận tải thương mại.^tr.174 Một địa điểm nhận hàng dự kiến tại Mặt trăng là hố Shackleton, nơi có nhiều điều kiện tự nhiên phù hợp.^tr.174

Một số ý tưởng khai thác Mặt trăng bởi các đơn vị tư nhân đã được hình thành, như kinh doanh tài nguyên heli 3 của Mặt trăng để làm nhiên liệu, hay thu năng lượng Mặt trời để truyền về Trái đất bằng vi sóng, tuy nhiên hành lang pháp lý cho các hoạt động kinh doanh này chưa được phát triển đầy đủ.^tr.160-170

Sự hiện diện của con người

Các vật dụng đặt trên Mặt trăng bởi Gói Thí nghiệm Bề mặt Mặt trăng Apollo.

Bề mặt Mặt trăng đã có nhiều dấu ấn của hoạt động của con người. Mỗi nhiệm vụ Apollo đã để lại lượng khí tương đương với tổng khối lượng khí quyển Mặt trăng, và sự ô nhiễm lâu dài có thể đã hiện diện dù phần lớn có thể đã thoát khỏi Mặt trăng.^tr.44 Các vật dụng mà con người để lại trên Mặt trăng có các xe tự hành và tàu đổ bộ, các thiết bị thí nghiệm như Gói Thí nghiệm Bề mặt Mặt trăng Apollo (ALSEP), và các bảng tưởng niệm hay tác phẩm nghệ thuật như Nhà du hành đã Ngã xuống.

Một số thiết bị vẫn còn đang trong quá trình sử dụng, như các tấm hồi phản trong thí nghiệm đo khoảng cách laser Mặt trăng của ALSEP. Một số tàu quỹ đạo vẫn đang hoạt động trên quỹ đạo Mặt trăng, như Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng.^tr.267 Một số tàu đổ bộ và xe tự hành vẫn đang được vận hành ít nhất một phần, như Kính viễn vọng Cực tím Mặt trăng của Thường Nga 3^tr.294 hay các thiết bị của Thường Nga 4.

Mặt trăng được coi là một địa điểm lý tưởng để lắp đặt nhiều loại kính viễn vọng. Kính viễn vọng vô tuyến ở mặt xa của Mặt trăng được che chắn khỏi nhiễu vô tuyến từ Trái đất, và có thể quan sát được bước sóng dài hơn 20m, vốn không thể quan sát được từ Trái đất do bị chắn bởi tầng điện li. Các hố tối vĩnh cửu và rất lạnh ở gần cực tạo nên môi trường phù hợp để lắp đặt các kính viễn vọng hồng ngoại đường kính đến 100m, tránh được nhiễu hồng ngoại từ các nguồn nhiệt, đồng thời tránh được nhiễu ảnh khí quyển, vì Mặt trăng hầu như không có khí quyển. Kính viễn vọng thiên đỉnh lắp đặt tại các khu vực này có thể được tạo ra bằng gương lỏng quay và đạt đường kính 20-100m. Lớp đất Mặt trăng mịn chứa nhiều silica có thể được dùng để chế tạo gương và các dụng cụ thủy tinh cho các đài quan sát. Sự có mặt của con người tại đây có thể giúp vận hành các trạm quan sát hiệu quả hơn các kính viễn vọng bay trong không gian.

Đã có những kế hoạch để tiến đến cho phép con người định cư trên Mặt trăng. Dự án Cổng Mặt trăng thuộc chương trình Artemis là một trong các nỗ lực đang được triển khai cho mục đích này. Tuy con người đã từng có mặt ngắn ngày trên Mặt trăng, có các thử thách cho cuộc sống lâu dài tại đây, bao gồm phóng xạ vũ trụ và bụi Mặt trăng.^tr.85-87 Bụi Mặt trăng có thể dính vào quần áo và bị mang theo vào khu vực sinh hoạt. Bụi này được một số nhà du hành vũ trụ ở chương trình Apollo mô tả là có mùi giống thuốc súng. Bụi mịn có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe.^tr.86-87

Mặc dù đã có các quốc kỳ của một số nước được đưa lên Mặt trăng, không quốc gia nào được phép tuyên bố chủ quyền trên Mặt trăng nói riêng, và ở không gian ngoài Trái đất nói chung, theo Hiệp ước Ngoại Không gian 1967.^tr.168 Hiệp ước này cho phép các tổ chức và cá nhân khai thác và sở hữu tài nguyên trên Mặt trăng, nhưng giới hạn việc khai thác vào mục đích hòa bình và không tàn phá môi trường.^tr.168-169 Hiệp ước Mặt trăng năm 1979 định nghĩa Mặt trăng là "di sản chung của nhân loại", và việc khai thác Mặt trăng cần được đặt trong hợp tác quốc tế.^tr.169-170 Tuy nhiên đến tháng 1 năm 2018, mới chỉ có 18 quốc gia đã phê chuẩn hiệp ước này, trong đó không có Hoa Kỳ, Nga, Trung Quốc, do có lo ngại rằng Hiệp ước Mặt trăng có thể cản trợ hoạt động thương mại.^tr.169 Một số cá nhân đã tuyên bố sở hữu bất động sản trên Mặt trăng nhưng không có tuyên bố nào đã được công nhận rộng rãi.^tr.1,20

Văn hóa

Thần thoại

Một chiếc gương đồng thời nhà Đường ở Trung Quốc (618-907) có họa tiết Hằng Nga và thỏ ngọc trên cung trăng.

Các vùng tối sáng trên Mặt trăng đã được con người tưởng tượng thành những hình ảnh khác nhau trong các nền văn hóa khác nhau, như chú Cuội và cây đa trên cung trăng trong văn hóa dân gian Việt Nam, hay thỏ Mặt trăng trong văn hóa Trung Hoa, Ấn Độ, hoặc hình người.

Trong nhiều nền văn hóa cổ, Mặt trăng được nhân cách hóa hoặc thần thánh hóa. Thần thoại Trung Hoa kể về sự tích Hằng Nga bay lên Mặt trăng và trường sinh cùng thỏ ngọc tại đây, một trong các sự tích lý giải cho phong tục tết Trung Thu. Thần thoại Ấn Độ coi Chandra (Soma) là nam thần Mặt trăng. Tôn giáo Lưỡng Hà, trong thiên niên kỷ thứ nhất trước công nguyên, tin Mặt trăng là nam thần Sin (Nanna), cha của nữ thần Sao kim Ishtar và thần Mặt trời Shamash. Theo thần thoại Hy Lạp La Mã cổ đại, Mặt trời là nam và Mặt trăng là nữ, ứng với Helios (Sol) và Selene (Luna).

Việc quan sát các sự kiện thiên văn liên quan đến Mặt trăng, Mặt trời, các hành tinh và các sao cũng đã hình thành thuật chiêm tinh ở Trung Quốc, Ấn Độ và phương tây.^tr.50

Lịch

Mục từ chi tiết: Âm lịch

Các pha Mặt trăng trong một tờ lịch ở cuốn Địa chí Catalunya (1370-1380) của Abraham Cresques.

Chu kỳ lặp lại của pha Mặt trăng được sử dụng như một công cụ đo thời gian tiện lợi, tạo thành cơ sở cho nhiều hệ thống lịch cổ.^tr.119 Một số thanh đếm cổ, được làm từ xương hàng chục nghìn năm trước, đã được một số nhà nghiên cứu cho là đánh dấu các pha của Mặt trăng. Ngày nay, chu kỳ lặp lại của tháng, khoảng 30 ngày, gần tương ứng với chu kỳ giao hội của Mặt trăng.^{tr.223-224tr.119} Trong tiếng Hán và các ngôn ngữ Ấn Âu, từ biểu thị khái niệm "tháng", hay "nửa tháng", có nguồn gốc từ Mặt trăng.

Hầu hết các lịch đã xuất hiện trong lịch sử loài người đều dựa trên các chu kỳ chuyển động của Trái đất, Mặt trăng và Mặt trời.^tr.117-118 Lịch âm dương của Trung Hoa ngoài dựa vào các chu kỳ trên còn tích hợp thêm chu kỳ gần bằng 12 năm của Sao mộc ứng với 12 con giáp, trong khi đó lịch Hồi giáo xuất hiện vào thế kỷ thứ 7 dựa hoàn toàn vào lịch Mặt trăng.^tr.119 Theo lịch Hồi giáo, các tháng được xác định bằng việc quan sát trăng non sớm nhất ở đường chân trời.

Ảnh hưởng tâm sinh lý

Trong một số nền văn hóa, Mặt trăng có liên hệ với tính cách điên rồ hoặc phi lý. Một số học giả của Hy Lạp và La Mã cổ đại, như Aristoteles, Pliny cha, Lucius Mestrius Plutarchus hay Claudius Galenus, đã cho rằng pha của Mặt trăng có mối liên hệ với chứng động kinh. Pliny cha (sống vào năm 23 đến 79) và Claudius Ptolemaeus (khoảng năm 150) giải thích rằng độ ẩm trong não có mối liên hệ với Mặt trăng. Tuy nhiên mọi phân tích dữ liệu hiện đại đều không xác nhận các lý thuyết này.

Chu kỳ thủy triều và thay đổi của pha Mặt trăng có tác động lên hành vi của một số loài sinh vật trên Trái Đất, đặc biệt là những loài hoạt động vào ban đêm hoặc nhạy cảm với ánh sáng. Tuy vậy các ghi chép về mối liên hệ giữa chu kỳ thay đổi của pha Mặt trăng với trạng thái tâm sinh lý của con người đều bị bác bỏ. Một số người đã cho rằng các pha Mặt trăng ảnh hưởng đến số ca nhập viện vì tâm thần, số ca giết người hoặc tự tử, hay số vụ phạm pháp; nhưng nhiều nghiên cứu đã phủ nhận quan niệm này.

Nguồn cảm hứng

Mặt trăng hiện lên nổi bật trong bức họa Đêm đầy sao (1889) của Vincent van Gogh.

Trăng vào cửa sổ đòi thơ,
Việc quân đang bận, xin chờ hôm sau.
Chuông lầu chợt tỉnh giấc thu,
Ấy tin thắng trận Liên khu báo về.

Bản dịch bởi Huy Cận cho bài Báo Tiệp (報捷 1948) của Hồ Chí Minh

Mặt trăng là nguồn cảm hứng cho nhiều nhà thơ ở các thời đại và nền văn hóa khác nhau, với hàng trăm tác phẩm vịnh nguyệt được lưu lại trong giai đoạn từ thế kỷ thứ 7 trước công nguyên cho đến nay. Một vài ví dụ là bài Mặt trăng, Trăng tròn của Sappho (610-570 trước công nguyên) ở Hy Lạp cổ đại, các bài thơ Đường Nguyệt hạ độc chước (月下獨酌), Nguyệt dạ (月夜) của Lý Bạch (701-762), Đỗ Phủ (712-770) ở Trung Quốc, Dẫu gió thổi (吹けども　葺けども) của Izumi Shikibu (976-1030) ở Nhật Bản, Tới Mặt trăng (Alla luna) của Giacomo Leopardi (1798–1837) ở Ý, Trăng lên (La luna asoma) của Federico García Lorca (1898–1936) ở Tây Ban Nha, ai mà biết mặt trăng có phải (who knows if the moon’s) của E. E. Cummings (1894–1962) ở Mỹ, Huyền ảo của Hàn Mặc Tử (1912–1940) ở Việt Nam.^tr.4,tr.62

Mặt trăng cũng là chủ đề của các tác phẩm văn học trong hai thiên niên kỷ qua. Vào thế kỷ thứ 2, Lukianos xứ Samosata viết tiểu thuyết Truyện Thật (Ἀληθῆ διηγήματα), kể chuyện những người từ Trái đất đến Mặt trăng và gặp các cư dân tại đó. Một số ví dụ khác từ thời Phục Hưng đến nay, là Giấc mơ (Somnium, 1634) của Johannes Kepler, Người cung trăng (The Man in the Moone, 1638) của Francis Godwin, Tiếu sử về Đế chế Mặt trăng (L’Autre monde ou les états et empires de la Lune, 1657) của Cyrano de Bergerac, Từ Trái đất lên Mặt trăng (De la Terre à la Lune, trajet direct en 97 heures 20 minutes, 1865) của Jules Verne, Khúc dạo đầu cho Không gian (Prelude to Space, 1951) của Arthur C. Clarke.

Ví dụ về những nhạc phẩm có tiêu đề liên hệ đến Mặt trăng là Clair de lune (1905) trong giao hưởng của Claude Debussy, Fly me to the Moon viết bởi Bart Howard và biểu diễn bởi Quincy Jones-Frank Sinatra (1964) - bài hát đầu tiên được phát trên Mặt trăng trong nhiệm vụ Apollo 11, album The Dark Side of the Moon (1973) của Pink Floyd, Walking on the Moon (1979) của The Police.

Ở nghệ thuật tạo hình, Mặt trăng xuất hiện trong mô típ lý ngư vọng nguyệt (鲤鱼望月, cá chép trông trăng) ở tranh dân gian Việt Nam và Trung Hoa, trong các tác phẩm hội họa phương Đông và phương Tây như Cảnh đêm trăng với cây cầu (1648-1650) của Aert van der Neer, Ánh trăng (1833-1834) của Thomas Cole, Trăng thu trên sông Tama (1838) của Utagawa Hiroshige, Cỏ mùa thu dưới trăng (1872-1891) của Shibata Zeshin, và trong điện ảnh như Chuyến du hành tới Mặt trăng (1902) của Georges Méliès, 2001: A Space Odyssey (1968) của Stanley Kubrick.

Biểu tượng lưỡi liềm đã được dùng để đại diện cho Mặt trăng từ trước Công Nguyên trong tử vi Hy Lạp cổ đại, và biểu tượng sao và lưỡi liềm đã xuất hiện từ thời kỳ văn hóa Lưỡng Hà. Lưỡi liềm cũng được dùng trong văn hóa Lưỡng Hà để đại diện một số vị thần thánh. Trong nghệ thuật Hy Lạp cổ đại, nữ thần Selene đội trên đầu hình lưỡi liềm. Trong kỳ học, lưỡi liềm, đôi khi kèm sao, đã có mặt ở cờ của nhiều quốc gia Hồi giáo từ thế kỷ 14. Trăng tròn xuất hiện trên cờ Lào và Palau.

Thông tin tham khảo

Mặt trăng nhìn từ Trái đất, theo chu kỳ quay quanh Trái đất, thể hiện các pha và hiện tượng bình động.tr.17
Đặc trưng quỹ đạo
Cận điểm quỹ đạo	363296 km (356371 – ≈370500tr.19 km)
Viễn điểm quỹ đạo	405503 km (≈404000tr.19 – 406720 km)
Bán trục lớn	384399,4 km
Độ lệch tâm quỹ đạo	0,05490 (0,026–0,077)tr.11
Chu kỳ quỹ đạo	27,32161150 ngàytr.10
Chu kỳ giao hội	29,5305883 ngàytr.10
Tốc độ quỹ đạo trung bình	1,023 km/str.308
Độ nghiêng quỹ đạo	5°8’43,42” so với hoàng đạotr.308 18,4°-28,6° so với xích đạo Trái đấttr.495
Kinh độ điểm nút lên	Lùi lại một vòng trong 6798,36 ngàytr.10
Acgumen cận điểm	Tiến lên một vòng trong 3232,57 ngàytr.10
Vệ tinh tự nhiên	Trái đấttr.19
Tính chất vật lý
Bán kính trung bình	1737,103±0,015 kmtr.305tr.1606
Bán kính xích đạo	1738,139±0,065 kmtr.1606
Bán kính cực	1735,972±0,200 kmtr.1606
Độ dẹt	0,00125±0,00007tr.1604
Chu vi	10921,05±0,41 km (xích đạo)tr.1606
Diện tích bề mặt	37,9×106 km² tr.28
Thể tích	2,200×1025 cm³ tr.309
Khối lượng	(73,4767±0,0033)×1021 kgtr.305
Mật độ trung bình	3346,45±0,17 kg/m³ tr.305
Hấp dẫn bề mặt	162,2 cm/s² tr.310
Yếu tố mômen quán tính	0,3929±0,0009
Tốc độ thoát	2,38 km/str.310
Chu kỳ quay thiên văn	27,3216610 ngàytr.30
Tốc độ quay xích đạo	4,6264±0,0002 m/str.1606tr.30
Độ nghiêng trục quay	• 1°32’32,7” đến hoàng đạotr.309 • 6°41’ đến mặt phẳng quỹ đạotr.309
Xích kinh cực bắc	266,8577° (tại J2000)
Xích vĩ cực bắc	65,6411° (tại J2000)
Suất phản chiếu	0,1362 (±2–3%)
Nhiệt độ mặt tối thiểu tối đa Xích đạo 100 K 400 K Cực (vĩ độ 89°) mùa hè 128 K 180 K Cực (vĩ độ 89°) mùa đông 38 K 38 K Hố tối vĩnh cửu <40 K 90 K Đỉnh sáng vĩnh cửu 213 K 233 K
Cấp sao biểu kiến	• -1,30 đến -3,69 (trăng tối) • -12,74 (trăng tròn trung bình)tr.307 • -12,9 (siêu trăng)
Đường kính góc	29,3-34,1 phút cungtr.496
Khí quyển
Mật độ bề mặt	• 107 hạt/cm³ (ban ngày) • 105 hạt/cm³ (ban đêm)
Thành phần theo thể tích	He • Ne • Na • K • Ar • Rn • Po • H2O

Chú thích

Tham khảo

Xem thêm

• Vệ tinh tự nhiên

Liên kết ngoài

• Mặt trăng tại Encyclopædia Britannica
• Mặt trăng tại Từ điển Bách khoa Việt Nam