Ay

Ay

Dünya'nın kuzey yarımküresinden görülen dolunay.
Adlandırmalar
MPC belirtmesi	Earth I
Alternatif adlar	Luna Selene (poetik) Cynthia (poetik)
Sıfatlar	Lunar Selenian (poetik) Cynthian (poetik) Moonly (poetik)
Sembol
Yörünge özellikleri
Dönem J2000
Yerberi	362.600 km (356.400-370.400 km)
Yeröte	405.400 km (404.000-406.700 km)
Yarı büyük eksen	384.399 km (1,28 Is, 0,00257 AU)[1]
Dış merkezlik	0,0549[1]
Yörünge periyodu	27,321661 g (27 g 7 sa 43 dk 11,5 sn[1])
Kavuşum dönemi	29,530589 g (29 g 12 sa 44 dk 2,9 sn)
Ortalama yörünge hızı	1,022 km/sn
Eğiklik	5,145° (tutuluma)[2]
Doğal uydusu	Dünya[3]
Fiziksel özellikler
Görünür büyüklük	−2,5 ile −12,9 −12,74  (ortalama dolunay)[4]
Açısal çap	29,3 ile 34,1 yay-dakika[4]
Ortalama yarıçap	1.737,4 km   (Dünya'nın 0,2727'si)[1][4][5]
Ekvatoral yarıçap	1.738,1 km   (Dünya'nın 0,2725'i)[4]
Kutupsal yarıçap	1.736,0 km   (Dünya'nın 0,2731'i)[4]
Basıklık	0,0012[4]
Çevresi	10.921 km  (ekvatoryal)
Yüzey alanı	3,793 × 107 km2   (Dünya'nın 0,074'ü)
Hacim	2,1958 × 1010 km3   (Dünya'nın 0,020'si)[4]
Kütle	7,342 × 1022 kg   (Dünya'nın 0,012300'ü)[1][4][6]
Ortalama yoğunluk	3,344 g/cm3[1][4] 0,606 × Dünya
Yüzey kütle çekimi	1,62092 m/s2  (0,1654 g; 5,318 ft/s2)[4]
Atalet momenti faktörü	0,3929 ± 0,0009[7]
Kurtulma hızı	2,38 km/sn (8.600 km/sa)
Sinodal dönme süresi	29,530589 g (29 g 12 sa 44 dk 2,9 s; sinodal; güneş günü) (eş zamanlı dönüş)
Yıldız dönme süresi	27,321661 g  (eş zamanlı dönüş)
Ekvatoral dönme hızı	4,627 m/sn
Eksen eğikliği	1,5424° (tutuluma)[8]
Kuzey kutbu sağ açıklık	17sa 47d 26s 266,86°[9]
Kuzey kutbu dik açıklık	24,36°[9]
Albedo	0,136[10]
Yüzey sıcaklığı min. ort. maks. Ekvator 100 K[11] 250 K 390 K[11] 85°N  150 K 230 K[12]
Atmosfer[13]
Yüzey basıncı	10−7 Pa (1 pikobar)  (gündüz) 10−10 Pa (1 femtobar)    (gece)
Bileşimleri	He Ar Ne Na K H Rn
Wikimedia Commons'ta ilgili ortam

Ay, Dünya'nın tek doğal uydusu ve Güneş Sistemi içindeki beşinci büyük doğal uydudur. Dünya ile Ay arasında ortalama merkezden merkeze uzaklık 384.403 km, yani Dünya'nın çapının yaklaşık otuz katı kadardır. Jeofiziksel açıdan Ay, gezegen kütleli gök cismi veya uydu gezegendir. Kütlesi, Dünya'nın kütlesinin %1,2'si ve çapı 3.474 km (2.159 mi) ile Dünya'nın yaklaşık dörtte biri kadardır. Yüzeyinde kütleçekim etkisi yerçekiminin yaklaşık %17'sidir. Ay, Dünya'nın yörüngesinde bir turunu 27 gün 7 saatte tamamlar. Dünya, Ay ve Güneş geometrisinde görülen periyodik değişimler sonucunda her 29,5 günde tekrar eden Ay'ın evreleri oluşur.

Ay, insanların üzerine iniş yaparak yürüdükleri gökcismidir. Yer çekiminden kurtulup uzaya çıkan ve Ay'ın yakınından geçen ilk yapay nesne Sovyetler Birliği'nin Luna 1 uydusudur. Ay yüzeyine çarpan ilk insan yapısı nesne Luna 2 uydusudur. Normalde görünmeyen Ay'ın öteki yüzünün ilk fotoğraflarını ise Luna 3 uydusu çekmiştir. Bu üç uydu da 1959 yılında uzaya fırlatılmıştır. Ay yüzeyine ilk yumuşak iniş yapabilen uzay aracı Luna 9 ve Ay yörüngesine giren ilk insansız uzay aracı da Luna 10'dur. Bu iki uydu da 1966'da uzaya fırlatılmıştır.^[14] ABD'nin Apollo programı 1969 ve 1972 yılları arasında altı başarılı inişle, günümüze kadar insanlı görevleri başaran tek uzay programıdır. Ay'ın doğrudan insanlar tarafından incelenmesine Apollo programının bitişiyle son verilmiştir.

En yaygın olarak kabul edilen köken açıklaması, Ay'ın 4,51 milyar yıl önce, (Dünya'dan kısa bir süre sonra) Dünya ile Theia adlı Mars büyüklüğündeki varsayımsal bir cisim arasındaki dev çarpışma enkazından oluştuğunu ileri sürer. Sonrasında Dünya ile gelgit etkileşimi nedeniyle daha uzak bir yörüngeye çekildi. Ay'ın yakın tarafı parlak ve eski kabuksal yüksek dağlar ile, göze çarpan darbe kraterileri arasındaki boşlukları dolduran koyu volkanik maria "karanlık denizler" ile dikkat çekicidir. Büyük çarpışma havzaları ve karanlık yüzeylerinin mare çoğu yaklaşık üç milyar yıl önce Imbrian döneminin sonuna kadar yerindeydi. Ay yüzeyi nispeten yansıtıcı değildir, yansıma derecesi aşınmış asfaltdan biraz daha parlaktır. Ancak, açısal çapı büyük olduğu için dolunayda gece gökteki en parlak gök cismi olur. Ay'ın görünen boyutu Güneş'inkiyle hemen hemen aynıdır, bu ise tam güneş tutulması esnasında Güneş'i neredeyse tamamen kaplamasına neden olur, Aya ilk ayak basan insan Neil Armstorg' dur

Türk Dil Kurumu kelimenin Türkçe olduğunu söyler. Büyük harfle yazıldığını belirtir.^[15]

Ay, Dünya'nın yörüngesinde eş zamanlı olarak hareket eder, yani her zaman aynı yüzü Dünya'ya dönüktür. Ay'ın oluşumunun başlarında dönüşü yavaşladı ve Dünya'nın kütlesi nedeniyle oluşan gelgit deformasyonlarına bağlı sürtünme etkilerinin sonucu olarak günümüzdeki konumunda kilitlendi.^[16]

Çok uzun zaman önceleri Ay daha hızlı dönerken, gelgit tümseği Dünya-Ay hattının önünde dönüyordu. Çünkü gelgit tümsekleri yeteri kadar hızlı olarak Dünya ile aynı hatta gelemiyordu.^[17] Bu hattın dışına çıkan tümsek nedeniyle oluşan tork Ay'ın dönüşünü yavaşlattı. Ay'ın dönüşü yörünge hızına denk gelecek kadar yavaşladığında gelgit tümseği Dünya'nın tam karşısına geldi ve bu nedenle tork ortadan kayboldu. İşte bu nedenden ötürü Ay, Dünya yörüngesinde döndüğü hızla kendi çevresinde de döner ve Dünya'dan her zaman Ay'ın aynı yüzü görünür.

Ay'ın göründüğü açının küçük değişimleri (Ay sallantısı) nedeniyle Ay yüzeyinin %59'u görünür.^[14]

Ay'ın görünen yüzü		Ay'ın diğer yüzü

Ay'ın Dünya'ya karşı olan yüzünden Ay'ın görünen yüzü, diğer tarafına da Ay'ın öteki yüzü denir. Öteki yüz Ay'ın karanlık yüzü ile karıştırılmamalıdır. Ay'ın karanlık yüzü herhangi bir anda Güneş tarafından aydınlatılmayan yarıküresidir. Ayda bir kere bu yüz yeniay safhasına Ay'ın görünen yüzü olur. Ay'ın öteki yüzü ilk olarak 1959'da Sovyet uzay sondası Luna 3 tarafından fotoğraflandı. Ay'ın öteki yüzünün ayırt edici özelliklerinden biri Ay denizi (Latince: (mare, çoğulu maria) adı verilen düzlüklerin hemen hemen hiç olmamasıdır.

Çıplak gözle rahatlıkla görünebilen Ay yüzeyinde bulunan karanlık Ay düzlüklerine Ay denizi denir. Çünkü antik dönem gök bilimcileri bunların suyla dolu olduklarını zannediyordu. Günümüzde bunların katılaşmış bazalt olduğu bilinmektedir. Bazaltı oluşturan lav, Ay yüzüne göktaşları ve kuyruklu yıldızların çarpması sonucu oluşan krater düzlüklerini doldurmuş ve katılaşarak bu bazaltı oluşturmuştur (Oceanus Procellarum krater düzlüğü değildir ve bu kurala önemli bir istisna oluşturur.) Ay denizleri hemen hemen yalnızca Ay'ın görünen yüzünde bulunur. Ay'ın öteki yüzünün yalnızca %2'sinde birkaç dağılmış küçük düzlük bulunur.^[18] Ayın görünen yüzündeyse bu oran %31'dir.^[14] Bu farklılığın en akla yatkın açıklaması, Lunar Prospector uzay sondasının gamma ışını spektrometresi ile elde edilen jeokimyasal haritalarda gösterildiği üzere Ay'ın görünen yüzünde ısı üreten elementlerin daha yüksek konsantrasyonda bulunmasıdır.^[19][20] Kalkan tipi yanardağlar ve kubbemsi dağlar görünen yüz üzerindeki Ay denizlerinde rastlanan özelliklerdir.^[21]

Ay yüzeyinde görünen açık renkli bölgelere Ay dağları (Latince: terrae (çoğul), terra (tekil)) denir; çünkü Ay denizlerinden daha yüksektirler. Ay'ın görünen yüzünde, içleri bazalt ile dolu olan kraterlerin çevresinde birçok dağ sırasına rastlanır. Bunların kraterlerin çevrelerinde oluşan yükseltilerin kalıntıları olduğu düşünülmektedir.^[22] Dünya'da karşılaşılan oluşumun aksine, başlıca Ay dağlarının hiçbirinin tektonik etkinlikler sonucu oluşmadığına inanılmaktadır.^[23]

1994 yılında gerçekleştirilen Clementine görevinden alınan görsellerde Ay'ın kuzey kutbunda bulunan 73 km genişliğindeki Peary kraterinin çevresindeki dört dağlık bölgenin tüm Ay günü boyunca günışığı aldığı görülmüştür. Günışığının sürekli aydınlatığı bu bölgeler, Ay'ın tutulum düzlemine olan oldukça küçük eksenel eğikliği nedeniyle mümkündür. Güney kutbunda benzer bölgelere rastlanmamıştır; ancak Shackleton krateri Ay gününün %80'i boyunca gün ışığı altındadır. Ay'ın küçük eksenel eğikliğinin bir başka sonucu da kutup bölgesinde kraterlerin dibinde sürekli gölgede kalan bölgeler olmasıdır.^[24]

Ay'ın yüzeyinde gökcisimlerinin çarpması sonucu oluşan birçok krater bulunur.^[25] Çapı 1 km'den büyük yaklaşık yarım milyon krater Ay yüzeyine göktaşlarının ve kuyruklu yıldızların çarpması sonucu oluşmuştur. Kraterler hemen hemen sabit bir oranla oluştuğu için birim alanda bulunan krater sayısı yüzeyin yaşını tahmin etmek için kullanılabilir. Atmosferin, hava olaylarının ve yakın geçmişte jeolojik etkinliklerin olmaması sayesinde bu kraterler, Dünya'dakilerin aksine oldukça iyi korunmuştur.

Ay yüzeyinin ve Güneş Sistemi'nin bilinen en büyük krateri Güney Kutbu - Aitken düzlüğüdür. Bu çarpma havzası Ay'ın öteki yüzünde Güney Kutbu ile ekvator arasında yer alır; 2240 km çapında ve 13 km derinliğindedir.^[26] Ay'ın görünen yüzünde başlıca kraterler Mare Imbrium, Mare Serenitatis, Mare Crisium ve Mare Nectaris'tir.

Aykabuğunun üzerinde regolit adı verilen taş ve tozdan oluşan bir tabaka bulunur. Yüzeye çarpan gökcisimleri nedeniyle oluşan regolit eski yüzeylerde yeni yüzeylere nazaran daha kalındır. Özel olarak regolitin kalınlığının denizlerde 3-5 metre, daha eski yayla bölgelerinde ise 10-20 metre arasında değiştiği tahmin edilmektedir.^[27] Çok ince toz hâlinde bulunan regolit tabakasının altında onlarca kilometre kalınlığında oldukça parçalanmış kayalardan oluşan megaregolit tabakası bulunur.^[28]

Ay yüzeyine sürekli çarpan göktaşları ve kuyrukluyıldızlar nedeniyle küçük miktarlarda su büyük olasılıkla yüzeye eklenmiştir. Bu durumda günışığı suyu elementlerine yani hidrojen ve oksijen ayıracak, bunlar da Ay'ın zayıf kütleçekimi nedeniyle zamanla yüzeyden kaçacaktır. Ancak Ay'ın dönme ekseninin tutulum düzlemine yalnızca 1,5° gibi çok küçük bir eğiklik yapması nedeniyle kutuplar yakınında bulunan bazı derin kraterler hiçbir zaman doğrudan günışığı almadığından ve sürekli gölgede kaldığından buraya düşen su molekülleri uzun zaman süreleri boyunca kararlılığını koruyacak.

Clementine görevi güney kutbunda gölgede kalmış böyle kraterleri haritalandırdı,^[29] ve bilgisayar simülasyonları yaklaşık 14.000 km² kadar bir bölgenin sürekli gölgede kaldığını göstermektedir.^[24] Clementine görevinin bistatik radar deneyi küçük donmuş su ceplerine işaret eder ve Lunar Prospector görevinden gelen bilgiler kutup bölgeleri yakınlarında regolitin üst bölümlerinde aşırı derecede yüksek hidrojen konsantrasyonlarını gösterir.^[30] Toplam su buzu miktarının bir kilometre küp olduğu tahmin edilmektedir.

Su buzu kazılarak toplanabilir ve nükleer jeneratörler ya da güneş panelleriyle donatılmış elektrik santralleri tarafından hidrojen ve oksijene ayrılabilir. Ay üzerinde kullanılabilecek miktarda su bulunması, Ay'ı yaşanılabilir kılmak için önemlidir çünkü Dünya'dan su taşımak mümkün olamayacak kadar pahalı olacaktır. Ancak son zamanlarda Arecibo gezegen radarı ile yapılan gözlemler, Clementine radarının su buzu bulunduğuna dair işaret ettiği bilgilerin aslında görece yeni kraterlerin oluşumunda fırlayan kayaların sonucu olabileceğini göstermiştir.^[31] Ay üzerinde ne kadar su bulunduğu sorusunun cevabı henüz bilinmemektedir.

Ay'ın şekli, gelgit gerilmesi nedeniyle hafif elipsoittir. Çarpma havzalarından kaynaklı kütleçekim anomalileriden dolayı, bu elipsoit şeklin uzun ekseni Dünya'ya göre 30° kaymıştır. Şekli, mevcut çekim kuvvetleri hesaba katıldığında daha uzundur. Bu 'fosil şişkinlik', Ay'ın Dünya'ya olan mevcut mesafesinin yarısındaki bir yörüngede dönerken katılaştığını ve artık şeklinin yörüngesine uyum sağlayamayacak kadar soğumuş olduğunu gösterir.^[32]

Ay, büyüklük ve kütle bakımından Güneş Sistemi'nin beşinci en büyük doğal uydusudur ve gezegen kütleli uydulardan biri olarak kategorize edilebilir. Bu durum Ay'ı, jeofiziksel tanımlara göre bir uydu gezegen yapar.^[33] Merkür'den daha küçük ve Güneş Sistemi'nin en büyük cüce gezegeni olan Plüton'dan daha büyüktür. Plüton-Charon sistemi’nin küçük-gezegen uydusu olan Charon, Plüton'a göre daha büyük olsa da,^[34] Ay, ana gezegenlerine görece olarak Güneş Sistemi'nin en büyük doğal uydusudur.

Ay'ın çapı yaklaşık 3.500 km olup, Dünya'nın dörtte birinden fazladır ve Ay'ın yüzü Avustralya'nın büyüklüğü ile kıyaslanabilir.^[35] Ay'ın tüm yüzey alanı yaklaşık 38 milyon kilometre karedir ve Amerika kıtasının (Kuzey ve Güney Amerika) alanından biraz daha azdır.

Ay'ın kütlesi Dünya'nın 1/81'idir.^[14] Gezegen uyduları arasında ikinci en yoğun olanıdır ve 0,1654 g ile Io'dan sonra ikinci en yüksek yüzey kütle çekimine ve 2,38 km/s'lik (8600 km/sa; 5300 mph) bir kurtulma hızına sahiptir.

Ay yüzeyinin kimyasal bileşimi^[36]

Bileşik	Formül	Kompozisyon
		Maria	Yaylalar
silika	SiO2	45.4%	45.5%
alümina	Al2O3	14.9%	24.0%
kireç	CaO	11.8%	15.9%
pas	FeO	14.1%	5.9%
magnezyum oksit	MgO	9.2%	7.5%
titanyum dioksit	TiO2	3.9%	0.6%
sodyum oksit	Na2O	0.6%	0.6%
		99.9%	100.0%

Ay, kabuk, manto ve çekirdek gibi jeokimyasal olarak ayrımlanabilen katmanlardan oluşur. Bu yapının yaklaşık 4,5 milyar yıl önce, Ay'ın oluşumundan hemen sonra magma okyanusunun kademeli olarak kristalleşmesiyle meydana geldiğine inanılmaktadır. Ay'ın dış yüzeyini eritmek için gerekli olan enerjinin Dünya ve Ay sistemini oluşturduğu öne sürülen dev çarpma ile elde edildiği düşünülmektedir. Bu magma okyanusunun kristalleşmesi sonucu mafik manto ve plajiyoklâz zengini kabuk ortaya çıkmış olabilir.

Yörüngeden yapılan jeokimyasal haritalama ay kabuğunun magma okyanusu varsayımı ile uyumlu bir şekilde oldukça anortositik bir yapıda olduğunu gösterir.^[13] Aykabuğu başlıca oksijen, silikon, magnezyum, demir, kalsiyum ve alüminyum elementlerinden oluşmuştur. Jeofiziksel tekniklere dayanılarak ay kabuğunun kalınlığının ortalama 50 km civarında olduğu tahmin edilmektedir.^[1]

Ay'ın mantosunda oluşan kısmi erime Ay denizlerinde bulunan bazaltların yüzeye püskürmesine neden oldu. Bu bazaltların analizi mantonun olivin, ortopiroksen ve klinopiroksen minerallerinden oluştuğunu ve Ay mantosunun Dünya mantosundan demir açısından daha zengin olduğunu gösterir. Bazı Ay bazaltlarında ilmenit minerali içinde karşılaşılan yüksek oranda titanyum içeriği mantonun bileşiminin oldukça yüksek oranda heterojen olduğunu gösterir. Ay yüzeyinden yaklaşık 1.000 km derinde, mantoda Ay sarsıntıları olduğu bulunmuştur. Aylık periyotlarla oluşan bu sarsıntılar Ay'ın Dünya çevresinde dış merkezli yörüngede dönmesi nedeniyle oluşan gelgit streslerine bağlanmıştır.^[1]

Ay 3.346,4 kg/m³'lik ortalama yoğunluğuyla, Güneş Sistemi'nin İo'dan sonra ikinci yoğun doğal uydusudur. Ancak bazı kanıtlar Ay çekirdeğinin yaklaşık 350 km'lik yarıçapıyla oldukça küçük olduğuna işaret eder.^[1] Bu büyüklük Ay'ın yalnızca %20'sine denk gelir, halbuki birçok gökcisminde çekirdeğin oranı %50 civarındadır. Ay çekirdeğinin bileşimi tam olarak saptanamamıştır, ama az bir miktarda kükürt ve nikel alaşımlı metalik demirden oluştuğu sanılmaktadır. Ay'ın zamanla değişkenlik gösteren dönüşünün analizi çekirdeğin en azından kısmen erimiş olduğunu gösterir.^[37]

Ay'ın topoğrafyası özellikle yakın zamanda yapılan Clementine görevinin sağladığı, lazer altimetri ve stereo görüntü analizi yöntemleriyle elde edilen data sayesinde ölçülmüştür. En çok görünen topoğrafik özellik öteki yüzde bulunan ve Ay'ın en alçak noktalarını barındıran Güney Kutbu - Aitken düzlüğüdür. En yüksek noktalar bu düzlüğün hemen kuzeydoğusunda bulunur. Buranın Güney Kutbu - Aitken düzlüğünün oluşumuna neden olan gökcismi çarpması sonucunda yer değiştirmiş kalın katmanlar nedeniyle oluştuğu önerilmiştir. Diğer büyük kraterler Mare Imbrium, Mare Serenitatis, Mare Crisium, Mare Smythii ve Mare Orientale 'de de oldukça alçak noktalar ve çevrelerinde yüksek noktalar bulunur. Ay şeklinin dikkat çekici bir noktası da ortalama yüksekliklerin öteki yüzde, görünen yüze göre 1,9 km daha yüksek olmasıdır.^[1]

Ay'ın kütleçekim alanı, yörüngedeki uzay araçlarının yaydığı radyo dalgalarının izlenmesi sonucu belirlenmiştir. Kullanılan prensip Doppler Etkisi'ne bağlıdır. Uzay aracının bakış açısı yönündeki ivmesi radyo dalgalarının yönünü azar azar değiştirerek ve uzay aracından Dünya üzerindeki sabit bir noktaya olan uzaklığı kullanarak belirlenir. Ancak Ay'ın eş zamanlı dönmesi nedeniyle, uzay aracı öte taraftayken izlenemediğinden ötürü, öteki tarafın kütleçekimi alanı çok iyi belirlenememiştir.^[38]

Ay'ın kütleçekim alanının en önemli özelliklerinden birisi dev krater düzlükleri ile bağlantılı olan geniş pozitif kütleçekimsel anomalilerin varlığıdır.^[39] Bu anomaliler uzay araçlarının yörüngesini önemli ölçüde etkiler bu nedenle insanlı ya da insansız uçuşların planlanmasında Ay'ın doğru kütleçekimsel modeli gereklidir. Kütleçekimsel yoğunluğun olduğu bölgelerin nedeni kısmen, krater düzlüklerini dolduran yoğun bazaltı oluşturan lava akışının varlığına bağlıdır. Ancak bu lava akışları tek başına kütleçekimsel izin tamamını açıklayamaz, aykabuğu ile manto arasındaki etkileşime de gerek vardır. Lunar Prospector 'un kütleçekimsel modellemeleri bazaltik volkanların etkisi nedeniyle oluşmadığı sanılan bazı kütleçekimsel yoğunlukların varlığını gösterir.^[40] Oceanus Procellarumda devasa volkan kaynaklı bazaltlar bulunmasına rağmen kütleçekimsel anomali gözlemlenmemektedir.

Ay'ın dış manyetik alanı bir ile yüz nanotesla arasındadır yani 30-60 mikrotesla büyüklüğündeki Dünya'nın manyetik alanından yüz kat daha küçüktür. Diğer önemli farklılıklar çekirdeğindeki jeodinamo tarafından üretilmiş bir dipolar manyetik alanı yoktur ve var olan manyetik alanların kaynağı tamamen aykabuğudur.^[41] Bir varsayıma göre aykabuğundaki manyetikleşmelerin Ay daha gençken ve çekirdeğinde bir jeodinamo bulunurken oluştuğudur. Ancak Ay çekirdeğinin küçüklüğü bu varsayımın doğruluğu karşısında bir engel oluşturmaktadır. Alternatif varsayımlar arasında, Ay gibi havası olmayan gökcisimlerinde süreksiz manyetik alanlar büyük gök cisimlerinin çarpması bulunur. Bu varsayımı destekleyecek şekilde en geniş aykabuğu manyetikleşmelerinin dev kraterlerin tam karşısında Ay yüzeyinde gerçekleştiğinin farkına varılmasıdır. Böyle bir fenomenin çarpışma sonucu oluşan plazma bulutunun ortamda bir manyetik alan bulunurken serbest olarak yayılmasından kaynaklanabileceği önerilmiştir.^[42]

Ay'ın toplam kütlesi 10 tondan az olan, neredeyse vakum sayılabilecek kadar ince bir atmosferi vardır.^[43] Bu küçük kütleli atmosferin yüzeydeki basıncı 3 × 10⁻¹⁵ atm (0,3 nPa) civarındadır ve Ay günü içerisinde değişiklik gösterir. Atmosferinin kaynaklarından biri aykabuğunda ve mantoda oluşan radyoaktivite sonucu ortaya çıkan radon gibi gazların salınımıdır. Diğer önemli bir kaynak ise mikrogöktaşları, güneş rüzgârı iyonları, elektronlar ve günışığının bombardımanı sonucu oluşan püskürtüm süreciyle gerçekleşir.^[13][44] Püskürtüm yoluyla salınan gazlar ya tekrar regolit içinde hapsolur ya da güneş radyasyon basıncı veya iyonize olmuşlarsa güneş rüzgârının manyetik alanı nedeniyle uzaya kaçar. Dünya üzerinden yapılan spektroskopik yöntemlerle sodyum (Na) ve potasyum (K) gibi elementlerin varlığı tespit edilmiştir. Radon-222 (²²²Rn) ve polonyum-210 (²¹⁰Po) gibi elementler ise Lunar Prospector'un alfa parçacık spektrometresi ile tespit edilmiştir.^[45] Argon–40 (⁴⁰Ar), helyum-4 (⁴He), oksijen (O₂) ve/veya metan (CH₄), nitrojen (N₂) ve/veya karbon monoksit (CO) ve karbon dioksit (CO₂) Apollo astronotları tarafından yerleştirilen detektörler tarafından tespit edilmiştir.^[46]

Ay'ın etrafında kuyruklu yıldızlardan gelen küçük parçacıklardan oluşan kalıcı bir asimetrik Ay tozu bulutu vardır. Tahminlere göre her 24 saatte 5 ton kuyruklu yıldız parçacığı Ay yüzeyine düşmektedir. Ay'ın yüzeyine çarpan parçacıklar, Ay yüzeyindeki Ay tozunu yukarı yönde püskürtmektedir. Püsküren toz, Ay'ın atmosferinde yaklaşık 5 dakika yükselip 5 dakika düşerek toplam 10 dakika kadar kalmaktadır. Ortalama olarak, Ayın üzerinde yüzeyin 100 kilometre yukarısına dek çıkan irtifalarda 120 kilo kadar toz bulunur. Toz ölçümleri, altı aylık bir sürede LADEE'nin Lunar Dust Experiment (LDEX) tarafından yüzeye 20 ila 100 kilometre yukarıda yapılmıştır. LDEX, her dakikada ortalama bir adet 0,3 mikrometre boyutunda Ay tozu partikülü tespit etmiştir. Deneylerde ölçülen toz parçacıkları, Dünya ve Ay'ın kuyruklu yıldız enkazlarından geçtiği İkizler, Quadrantid, Kuzey Taurid ve Omicron Centaurid meteor yağmurları esnasında en yüksek seviyeye çıkmıştır. Toz bulutu asimetrik dağılımdadır, Ay'ın gün ışığı alan ve almayan kısımları arasındaki aydınlanma çemberinin yakınında daha yoğundur.^[47][48]

Ekim 2017'de, Houston'daki Marshall Uzay Uçuş Merkezi ve Ay ve Gezegen Enstitüsü'ndeki (İngilizce: Lunar and Planetary Institute) NASA biliminsanları, Apollo Projesi tarafından toplanan Ay magma örneklerinin çalışmalarına dayanarak, Ay'ın 3 ile 4 milyar yıl önce 70 milyon yıllık bir dönem boyunca nispeten kalın bir atmosfere sahip olduğunu tespit eden bulgular açıkladılar. Ay'daki volkanik püskürmelerinden çıkan gazlardan kaynaklanan bu atmosfer, bugünkü Mars atmosferinden iki kat daha kalındı. Eski Ay atmosferi daha sonra güneş rüzgarları ile uzaya dağıldı.^[49]

Ay günü boyunca yüzey sıcaklığı ortalama 107 °C, Ay gecesi boyunca da ortalama -153 °C civarındadır.^[50]

Ay'ın oluşumunu açıklayan çeşitli varsayımlar önerilmiştir. Ay'ın Güneş Sistemi'nin oluşumundan 30-50 milyon yıl sonra, günümüzden 4,527 ± 0,010 milyar yıl önce oluştuğuna inanılmaktadır.^[51]

• Bölünme kuramı - Ay'ın oluşumu hakkında ilk düşünceler Ay'ın merkezkaç kuvvetler nedeniyle yerkabuğundan koparak ayrıldığı ve gerisinde Büyük Okyanus çukurunu bıraktığını önermiştir.^[52] Bu bölünme kavramı Dünya'nın başlangıç dönüşünün çok büyük olmasını gerektirir. Ayrıca bu bölünme sonucu oluşan yörünge Dünya'nın ekvator düzlemini izlemek durumunda olacaktı ama böyle değildir.
• Yakalama kuramı - Diğerleri Ay'ın başka bir yerde oluştuğunu ve Dünya'nın yörüngesine yakalanarak girdiğini düşünmüşlerdir.^[53] Ancak bu yakalamanın gerçekleşebilmesi için gerekli olan koşulların, örneğin enerjiyi sönümleyebilmek için Dünya'nın geniş bir atmosferinin olması gibi, oluşması mümkün değildi.
• Birlikte oluşum kuramı - Birlikte oluşum varsayımı Dünya ile Ay'ın gezegen öncesi buluttan aynı zamanda ve yerde birlikte oluştuklarını önerir. Bu varsayımı göre Ay, Dünya'nın oluştuğu maddelerin çevresindeki maddelerden oluştuğu düşünülür. Bazıları bu varsayımın Ay üzerinde metalik demirin azlığını açıklayamadığı için doğru olmadığını belirtmiştir.

Bu varsayımların önemli bir açığı Dünya ve Ay sisteminin yüksek açısal momentumunu kolayca açıklayamamalarıdır.^[54]

• Dev çarpma kuramı - Günümüzde, Dünya ve Ay sisteminin oluşumunu dev çarpma kuramının açıkladığı bilim çevrelerince geniş kabul görmüştür. Bu varsayıma göre Dünya'nın oluşumundan önce, Mars büyüklüğünde bir gökcisminin çarparak Dünya yörüngesine Ay'ı oluşturacak kadar yeterli miktarda madde saçmış olmasıdır.^[14] Gezegenlerin, küçük ya da büyük parçaların birikmesi sonucu oluştuğuna inanıldığı için bunun gibi dev çarpma olaylarının birçok gezegeni etkilediğine inanılmaktadır. Bu çarpmayı simüle eden bilgisayar modelleri hem Dünya ve Ay sisteminin yüksek açısal momentumu ve Ay çekirdeğinin küçüklüğünü açıklayabilmektedir.^[55] Bu kuram ile ilgili cevabı bulunmamış sorular arasında Dünya öncesi kütle ile buna çarpan gökcisminin göreceli boyutları ile bunlardan çıkan maddenin ne kadarının Ay'ı oluşturduğudur.

Hem dev çarpma olayı sırasında hem de bunu izleyen Dünya'nın yörüngesinde maddenin birikmesinde çok büyük miktarlarda enerji salındığı için Ay'ın önemli bir kısmının başlangıçta erimiş olduğu düşüncesi yaygındır. Ay'ın o sırada erimiş dış yüzeyine Ay magma okyanusu adı verilir ve derinliğinin 500 km ile Ay'ın yarıçapı arasında değiştiği tahmin edilmektedir.^[19]

Magma okyanusu soğudukça kısmen kristalleşti ve katmanlara ayrılarak jeokimyasal olarak ayrı olan aykabuğu ve manto oluştu. Manto olivin, klinopiroksen ve ortopiroksen minerallerinin çökelmesi sonucu meydana geldiği düşünülmektedir. Magma okyanusunun dörtte üçünün kristalleşmesi tamamlandıktan sonra düşük yoğunluğu nedeniyle anortit minerali çökelmiş ve yüzeye çıkıp aykabuğunu oluşturmuştur.^[19]

Magma okyanusunun kristalleşen son sıvı bölümü Ay kabuğu ile manto arasında sıkışmıştır ve ısı üreten, birbiriyle uyumsuz elementleri kapsar. Bu jeokimyasal bileşiğe potasyum (K), soy toprak elementleri (İngilizce: rare earth elements - REE) ve fosfor (P) simgelerinden oluşan kısaltma KREEP adı verilir ve görünen yüzde Oceanus Procellarum ile Mare Imbrium'un çoğunu kapsayan küçük jeolojik bölgede toplanmış gözükmektedir.

Ay'ın magma okyanusu sonrası jeolojik evrimi gökcisimlerinin çarpması ile oluşmuştur. Ay'ın jeolojik dönemleri Nectaris, Imbrium, Orientale gibi büyük kraterlerin oluşumuna neden olan çarpma olaylarına göre ayrılmıştır. Çarpma sonucu oluşan bu yapılar yukarı fırlayan maddenin oluşturduğu çoklu halkaları ile gözlemlenir. Bu halkaların çapı genellikle yüzlerce kilometreden binlerce kilometreye kadar uzanır. Her çoklu halka düzlüğünde bölgesel stratigrafik ufuğu oluşturan püskürtü katmanları ile bağlantılıdır. Yalnızca birkaç çoklu halka düzlüğü kesin olarak tarihlendirildiyse de stratigrafik katmanlar sayesinde göreceli yaşların tespitinde faydalıdır. Sürekli olarak gökcisimlerinin çarpması sonucunda regolit oluşur.

Ay yüzeyinin oluşumunu etkileyen diğer önemli bir jeolojik süreçi ay denizlerinin oluşumunun temelindeki volkanik etkinliktir. Procellarum KREEP katmanında ısı üreten elementlerin toplanması sonucunda altında kalan mantonun ısınıp sonunda kısmen eridiği düşünülmektedir. Eriyen magmanın bir kısmı yüzeye çıkarak püskürtüldü ve Ay'ın görünen yüzünde bulunan ay denizi bazaltlarını oluşturdu.^[19] Ay'ın bu jeolojik bölgesinde bulunan bazaltların çoğu 3,0 - 3,5 milyar yıl önce Imbrian döneminde püskürtüldü. Yine de en eski tarihlenmiş örnekler 4,2 milyar yıla uzanırken^[56] en yeni püskürtüler yalnızca 1,2 milyar yıl önce oluşmuştur.^[57]

Ay yüzeyinin zamanla değişiklik gösterip göstermediği konusunda bazı anlaşmazlıklar bulunmaktadır. Bazı gözlemciler kraterlerin ortaya çıktığını ya da ortadan kaybolduğunu ya da diğer geçici fenomenlerin oluştuğunu iddia etti. Günümüzde bu iddiaların çoğunun yanılsama olduğu ve farklı ışık koşulları, zayıf astronomik gözlem ya da yetersiz eski çizimler nedeniyle oluştuğu düşünülmektedir. Yine de gaz çıkması gibi fenomenlerin ara sıra oluştuğu ve bunların iddia edilen geçici Ay fenomenlerine sebebiyet vermiş olabileceği bilinmektedir. Geçenlerde, yaklaşık bir milyon yıl önce gazın serbest kalması nedeniyle kabaca 3 km çaplı bir bölgenin yüzey şeklinin değişmiş olabileceği önerilmiştir.^[58][59]

Ay taşları iki ana kategoride incelenir; Ay denizlerinde ve Ay dağlarında bulunan Ay taşları. Ay dağlarında bulunan Ay taşları üç takımdan oluşur: demir anortosit takım, magnezyum takımı ve alkali takımı. Demir anortosit takımı taşlar hemen hemen tamamen anortit mineralden oluşmuştur ve Ay magma okyanusu üzerinde yüzerek toplanan plajiyoklâzdan geldiğine inanılmaktadır. Radyometrik yöntemlerle demir anortositlerin yaklaşık 4,4 milyar yıl önce oluştuğu bulunmuştur.^[56][57]

Magnezyum ve alkali takımı Ay taşları asıl olarak mafik plütonik kayaçlardır. Tipi olarak rastlanan kayaçlar dunit, troktolit, gabbro, alkali anortosit ve nadiren de granittir. Demir anortosit takımı Ay taşlarıyla karşılaştırıldıklarında bu takımın mafik minerallerinde görece daha yüksek Mg/Fe oranları bulunur. Genel olarak bu kayaçlar önceden olmuş dağlık alan aykabuğuna sonradan girmiştir ve yaklaşık 4,4-3,9 milyar yıl önce oluşmuşlardır. Bu Ay taşlarında yüksek oranda KREEP bileşeni bulunur.

Ay denizlerinde hemen hemen yalnızca bazalt bulunur. Dünya bazaltlarına benzese de çok daha fazla demir barındırırlar ve su bazlı değişim ürünleri barındırmazlar. Ayrıca çok miktarda titanyum da içerirler.^[60][61]

Astronotlar yüzeydeki tozun kar gibi hissedildiğini ve yanık barut koktuğunu bildirmiştir.^[62] Toz asıl olarak Ay yüzeyine çarpan göktaşları nedeniyle oluşmuş olan silikon dioksit camından (SiO₂) ibarettir. Aynı zamanda kalsiyum ve magnezyum da içerir.

Ay, sabit yıldızlara göre Dünya yörüngesinde her 27,3 günde bir tam tur atar. Ancak Dünya'da kendi yörüngesinde Güneş'in çevresinde döndüğü için Ay'ın evrelerinin dönüşümü için biraz daha uzun bir zaman, 29,5 gün gerekir.^[14] Diğer gezegenlerin uydularının aksine Ay Dünya'nın ekvator düzlemi üzerinde değil, tutulum düzlemi yakınlarında yörüngededir. Gezegeninin boyutlarına göre Güneş Sistemi içinde en büyük doğal uydudur. (Charon ile cüce gezegen Plüton'dan daha büyüktür.)

Dünya üzerinde görülen gelgit etkilerinin çoğu Ay'ın kütleçekim alanı nedeniyle oluşmaktadır, Güneş'in etkisi çok azdır. Gelgit etkileri nedeniyle Dünya ile Ay arasındaki ortalama uzaklık her yüzyılda 3,8 m artmaktadır.^[63] Açısal momentumun korunumu nedeniyle Ay'ın yarı büyük ekseninin artmasıyla birlikte Dünya'nın dönüşü yüzyılda 0,002 saniye kadar yavaşlamaktadır.^[64]

Dünya ve Ay sistemi bazen gezegen-uydu sistemi olarak değil de çifte gezegen sistemi olarak değerlendirilir. Bunun nedeni Ay'ın çevresinde döndüğü gezegene göre oldukça büyük olan boyutlarıdır. Ay'ın çapı Dünya'nın dörtte biri, kütlesi de 1/81'idir. Ancak sistemin orta kütle merkezi yeryüzünün 1.700 km; yani Dünya yarıçapının dörtte biri kadar altında olması nedeniyle bu görüş bazıları tarafından eleştirilmektedir. Ay yüzeyi Dünya'nın onda birinden azdır ve Dünya'nın kara alanının yaklaşık dörtte biri kadardır.

1997'de asteroit 3753 Cruithne'nin Dünya ile bağlantılı olağandışı bir atnalı yörünge üzerinde olduğu bulundu. Ancak gök bilimciler bu asteroidi Dünya'nın ikinci doğal uydusu olarak kabul etmemektedir; çünkü yörüngesi uzun dönemde kararlı değildir.^[65] Daha sonra Cruithne ile benzer yörüngede bulunan Dünya'ya yakın üç asteroit daha bulunmuştur: (54509) 2000 PH5, (85770) 1998 UP1 ve 2002 AA29.^[66]

Dünya üzerinde okyanuslarda görülen gelgit Ay kütleçekiminin etkisiyle oluşur. Kütleçekimsel gelgit kuvvetlerinin oluşmasının sebebi Dünya'nın Ay karşısında bulunan yüzünün merkezine ve arka yüzüne göre Ay'ın kütleçekiminden daha fazla etkilenmesidir. Kütleçekimsel gelgit, okyanusları Dünya'nın merkezinde olduğu bir elips şekline esnetir. Bunun etkisi birisi Ay'a doğru bakan yüzde, diğeri de bunun zıt yüzünde oluşan tümsek yani deniz seviyesinin yükselmesi olarak görülür. Dünya kendi ekseni etrafında dönerken bu iki tümsek de Dünya çevresinde bir günde döndüğü için okyanus suları sürekli olarak hareket eden bu iki tümseğe doğru akar. Bu iki tümseğin ve onlara doğru giden büyük okyanus akıntılarının etkisi; Dünya'nın dönüşü nedeniyle okyanus tabanlarında oluşan suyun sürtünme etkisi, su hareketinin eylemsizliği, karaya yaklaştıkça sığlaşan okyanus tabanları ve değişik okyanus tabanları arasındaki salınımlar gibi nedenlerle daha da büyür.

Ay ile okyanuslar arasındaki kütleçekimsel bağ Ay'ın yörüngesini etkiler. Ay'dan bakıldığında gelgit tümsekleri Dünya'nın dönüşüyle ileriye doğru taşındığından doğrudan Ay'ın karşısında değildir. Kütleçekimsel eşleşme Dünya'nın dönüşünden kinetik enerji ve açısal momentumu emer. Buna karşın Ay'ın yörüngesine açısal momentum eklenir. Bu da Ay'ı daha uzun periyotlu daha yüksek bir yörüngeye iter. Bunun sonucunda da her yıl iki gökcismi arasındaki ortalama uzaklık 3,8 cm. artar.^[63] Dünya ile Ay arasındaki gelgit etkilerin önemsiz hâle gelene kadar Ay yavaş yavaş uzaklaşmaya devam edecektir ve bu durumda yörüngesi kararlı olacaktır.

Güneş, Dünya ve Ay aynı çizgi üzerinde sıralanınca, bu durum Dünya'da Ay ve Güneş tutulması olarak gözlenir. Güneş tutulması yeni ay evresinde, Ay Güneş ile Dünya'nın arasında iken oluşur. Buna karşın Ay tutulması dolunay evresinde Dünya Güneş ile Ay'ın arasında olduğunda oluşur.

Ay'ın yörüngesinin Dünya'nın Güneş çevresindeki yörüngesine nazaran yaklaşık 5° eğik olması nedeniyle her yeni ay ve dolunayda tutulmalar olmaz. Bir tutulmanın olması için Ay'ın her iki yörünge düzleminin kesişimine yakın bir yerde olması gerekir.^[67]

Ay ve Güneş tutulmalarının zamanlamaları yaklaşık 6.585,3 günlük (18 yıl 11 gün 8 saat) bir periyota sahip olan ve Babiler zamanında bulunan Saros çevrimi ile belirlenebilir.^[68]

Ay'ın ve Güneş'in Dünya'dan görülen açısal çapları değişimlerle üst üste gelebildiği için hem tam hem de yarım güneş tutulması oluşabilmektedir.^[69] Tam güneş tutulmasında Ay Güneş diskini tamamen kapatır ve Güneş koronası çıplak gözle görünür hâle gelir. Ay ile Dünya arasındaki uzaklık zamanla az da olsa arttığı için Ay'ın açısal çapı azalmaktadır. Bu yüzlerce milyon yıl önce Ay'ın tutulmalarda Güneş'in açısal çapı da değişmezse Ay artık Güneş diskini tamamen örtemeyecek ve yalnızca yarım tutulma oluşacaktır.^[67]

Tutulma ile ilgili bir başka fenomen "örtülme"dir. Ay sürekli olarak gökyüzünde 1/2 derece genişliğinde dairesel bir alanı kaplar. Parlak bir yıldız ya da gezegen Ay'ın arkasından geçerse örtülür yani gözden kaybolur. Güneş tutulması Güneş'in örtülmesidir. Ay Dünya'ya yakın olduğu için tek tek yıldızların örtülmesi aynı zamanda ve her yerden görülemez. Ay yörüngesinin yalpalaması sonucu her yıl farklı yıldızlar örtülür.^[70]

En son ay tutulması 20 Şubat 2008'de olan tam tutulmadır. Güney Amerika ve Kuzey Amerika'nın çoğu yerinden 20 Şubat'ta gözlemlenen tutulma Batı Avrupa, Afrika ve Batı Asya'dan 21 Şubat'ta gözlemlenmiştir. Güney Amerika ile Antarktika'nın bazı bölümlerinden gözlemlenen 1 Ağustos 2008'den sonraki güneş tutulması 15 Ocak 2010'dadır.^[71]

En parlak olduğu dolunay evresinde Ay'ın görünür kadir derecesi yaklaşık −12,6'dır. Kıyaslanacak olursa Güneş'in görünen kadir derecesi −26,8'dir. Ay'ın dördün evrelerinde parlaklığı dolunay evresindeki parlaklığının yarısı değil ancak onda biridir. Bunun nedeni Ay yüzeyinin mükemmel bir Lambert yansıtıcısı olmamasıdır. Dolunay iken gözlemcinin arkasından gelen ışık nedeniyle olduğundan parlak görünen Ay diğer evrelerde yüzeye düşen gölgeler nedeniyle yansıtılan ışığın miktarı azalır.

Ay ufka yakınken daha büyük olarak görünür. Fakat bu tamamen Ay illüzyonu olarak bilinen psikolojik bir etkidir.

Ay düşük albedosuna rağmen gökyüzünde oldukça parlak bir gökcismi olarak görünür. Ay, Güneş Sistemi'nde bulunan en kötü yansıtıcıdır ve üzerine düşen ışığın ancak %7'sini yansıtır. Bu oran bir parça kömürün yansıtma oranı ile hemen hemen aynıdır.^[72]

Görsel sistemlerde renk istikrarı bir nesnenin rengiyle etrafındakilerin rengi arasındaki ilişkiyi ayarlar, dolayısıyla da görece karanlık olan gökyüzünde Güneş'in aydınlattığı Ay parlak bir nesne olarak algılanır.

Ay'ın gün içinde ulaştığı en yüksek nokta değişiklik gösterir ve Güneş ile aynı sınırlarda dolaşır. Ayrıca Dünya üzerindeki mevsime ve Ay'ın evrelerine göre değişir. Kış mevsiminde dolunayda en yüksek noktaya ulaşır. Ayrıca 18,6 yıllık düğüm çevriminin de etkisi vardır. Ay yörüngesinin yükselen düğüm noktası ilkbahar noktasındaysa Ay yükselimi 28° kadar yükselebilir. Bunun sonucunda 28 derece enlemlere kadar Ay tepe noktasına çıkar. Yaklaşık dokuz yıl kadar sonra yükselim yalnızca 18° kuzey ve güney enlemlere ulaşacaktır. Ayçanın (hilal) yönü de gözlem noktasının enlemine bağlıdır. Ekvator'a yakın yerlerde bir gözlemci Ay'ı sandal gibi görebilir.^[73]

Güneş gibi Ay da bazı atmosferik etkilere neden olabilir. Bunların arasında 22°'lik hâle halkası ve ince bulutlar arasından görünen daha küçük korona halkaları sayılabilir.

MÖ 5. yüzyılda Babilli gözlemcilerin Ay'ın döngülerini incelediğini, Hindistan'da benzer bulguların varlığını, Çinli Shi Shen'in MÖ 4. yüzyılda Ay ve Güneş tutulmalarının tarihlerini hesaplama yöntemi geliştirdiğini biliyoruz.

MÖ 4. yüzyılda Aristo; yanlış da olsa uzun bir süre çok etkili olan evren açıklamasında, Ay'ın dört temel eleman (toprak, su, hava ve ateş) arasındaki sınır bölgede yer aldığını öne sürdü. Öte yandan, Seleukialı Seleukos ve Aristarchus (MÖ 2. yüzyıl) ile Batlamyus (MS 90–168) Aristocu anlayışı çürüten gözlem ve hesaplamalar sundular.

Orta Çağ Avrupası için "gökbilim"den söz etmek zordur ve dönemin bilgisi gözlemden çok dinî inanışların etkisi altındaydı. Ay'ın tam bir yuvarlak ve yüzeyinin pürüzsüz olduğu da bu inanışlar arasındaydı.

Teleskobun keşfi ve bilimlerde yaşanan yaklaşık eşzamanlı paradigma değişimi, Ay gözleminde bir dönüm noktası olmuştur. Galileo Galilei 1609'da yayımladığı kitabı Sidereus Nuncius; Ay yüzündeki dağları ve kraterleri gösteren ilk teleskobik çizimlerden bazılarını içeriyordu. Ardından Ay'ın teleskobik haritalanması başladı: 17. yüzyılın devamında Giovanni Battista Riccioli ve Francesco Maria Grimaldi; Ay'ın yüzey unsurlarını bugün adlandırırken kullanılan sistemin temellerini attılar. Wilhelm Beer ve Johann Heinrich Mädler'in kitapları Mappa Selenographica (1834-6) ve Der Mond (1837); binden fazla dağ dahil olmak üzere Ay'daki yüzey unsurlarını, yeryüzündeki coğrafya için mümkün olan hassasiyetle tanımladı.

Soğuk Savaş ile kaynaklanan Sovyetler Birliği ile ABD arasındaki uzay yarışı; Ay üzerindeki ilginin giderek artmasına neden oldu. Fırlatıcı yetenekleri izin verir vermez hem alçak uçuş hem de çarpma/iniş görevleri için insansız sondalar, uzaya gönderildi. Sovyetler Birliği'nin Luna programı Ay yüzüne insansız uzay araçları ile ulaşmayı başaran ilk program olmuştur. Yerçekimini yenip Ay'ın yanından geçmeyi başarabilen ilk insan yapımı nesne Luna 1 uzay sondası olmuştur. 1959 yılında Ay yüzüne çarpan ilk insan yapımı nesne Luna 2 ve Ay'ın öteki yüzünün fotoğraflarını çeken ilk uydu da Luna 3 olmuştur. 1966 yılında Ay yüzeyine başarılı bir yumuşak iniş yapan ilk uzay aracı Luna 9 ve Ay yörüngesine giren ilk uzay aracı da Luna 10 olmuştur.^[14] Ay yüzeyinden örnekler üç Luna uçuşu (Luna 16, Luna 20 ve Luna 24) ile Apollo 11'den Apollo 17'ye kadar (Apollo 13 hariç) Apollo görevleri ile Dünya'ya getirilmiştir.

Ay yüzeyine 1969 yılında ilk insanların inmesi, uzay yarışının doruk noktasını oluşturmuştur.^[74] Neil Armstrong, ABD uçuşu Apollo 11'in komutanı olarak Ay'da yürüyen ilk insan oldu. Ay'da ilk adımını 21 Temmuz 1969 tarihinde saat 02:56'da (UTC) attı. 1960'ların başında özellikle yüzel erime kimyası ve atmosfere yeniden giriş konularında olduğu gibi önemli teknolojik gelişmeler; Ay yüzeyine iniş ve geri dönüşü mümkün kılmıştır.

Apollo uçuşlarının tamamında bilimsel ölçüm aletleri, Ay yüzeyine yerleştirildi. Uzun süreli ALSEP (İngilizce: Apollo lunar surface experiment package - Apollo Ay yüzeyi deney paketi) istasyonları Apollo 12, 14, 15, 16 ve 17 iniş sahalarına yerleştirildi. Apollo 11 uçuşuyla EASEP (İngilizce: Early Apollo Scientific Experiments Package - Erken Apollo bilimsel deney paketi) adı verilen geçici istasyon yerleştirilmiştir. ALSEP istasyonlarında ısı akış sondaları, sismometreler, manyetometreler ve küp köşeli retroreflektörler bulunmaktaydı. Bütçe sorunları sebebiyle 30 Eylül 1977'de Dünya'ya bilgi iletimi kesilmiştir.^[75][76] Ay laser mesafe ölçüm araçları pasif ekipmanlar olduğu için hâlâ kullanılmaktadır. Dünya üzerindeki istasyonlardan yönetilen ölçümler sonucu birkaç santimetrelik hassasiyetle ay çekirdeğinin boyutları belirlenebilmektedir.^[77]

14 Aralık 1972'de Apollo 17 uçuşunun bir parçası olarak Ay üzerinde yürüyen Eugene Cernan'dan beri başka bir insan Ay üzerinde yürümemiştir.

1960'ların ortasından 1970'lerin ortasına kadar Ay yüzüne ulaşan yaklaşık 65 farklı uçuş görevi yapılmıştır. Bunların sonuncusu, 1976 yılındaki Luna 24'tür. Bunları yalnızca 18'i kontrollü olarak Ay yüzeyine inmiş, dokuzu geriye dönerek ay taşı örnekleri getirmiştir. Daha sonra ise Sovyetler Birliği, Venüs ve uzay istasyonlarına ilgisini çevirirken ABD, Mars ve ötesi ile ilgilenmeye başladı.

Bir kısım uzmanlar Ay'a iniş yapılmasıyla ilgili görüntülerin sahte olduğunu iddia etmişlerdir.^[78] 2000'li yılların sonlarından bu yana LROC uzay aracı tarafından çekilen çok sayıda yüksek çözünürlüklü fotoğrafta Ay'a iniş yapmış uzay araçları ve izler görülebilmektedir.^[79][80] 2012 yılında Apollo bayraklarının Ay yüzeyindeki fotoğrafları yayınlanmıştır.^[81]

Özellikle 1990'lardan itibaren Ay'a yönelik ilgi tekrar canlandı ve projeler arttı.

1990 yılında Japonya Hiten uzay aracını Ay yörüngesine oturtarak bunu başaran üçüncü ülke oldu. Uzay aracı Hagormo adlı küçük bir sondayı yörüngede bıraktı ama vericinin arıza yapması nedeniyle uçuş görevinden bilimsel olarak daha fazla yararlanılamadı.

1994 yılında Clementine uçuş görevini gönderen ABD tekrar Ay ile ilgilenmeye başladı. Bu görev ile birlikte Ay'ın ilk küresel topoğrafik haritası ve ay yüzeyinin ilk multispektral görselleri elde edildi. Bunu 1998 yılındaki Lunar Prospector uçuş görevi izledi. Lunar Prospector 'da bulunan nötron spektrometresi ay kutuplarında hidrojen oranının görece yüksekliğini gösterdi. Bunun nedeni olarak sürekli olarak gölge altında kalan kraterlerdeki regolitin üst birkaç metresinde su buzu var olabileceği düşünüldü.

14 Ocak 2004'te ABD Başkanı George W. Bush 2020 yılından itibaren Ay'a insanlı uçuşların yapılmasını öngören bir plan yapılmasını istedi.^[82]

NASA'nın Ay Arayışları (Lunar Quest) çatısı altında topladığı, Ay yörüngesinde (örneğin Haziran 2009'da fırlatılan LRC, Lunar Reconnaissance Orbiter) ve yüzeyinde (örneğin Ay'ın sürekli karanlık güney kutbunda su buzu varlığını aramayı amaçlayan LCROSS) çeşitli programları vardır.^[83] NASA, ay kutuplarından birinde kalıcı bir üssün kuruluşunu da planlamaktadır.^[84]

Avrupa uzay aracı Smart 1 27 Eylül 2003'te fırlatıldı ve 15 Kasım 2004'ten 3 Eylül 2006'ya kadar Ay yörüngesinde kaldı.

Japan Aerospace Exploration Agency (Japon Uzay Araştırma Ajansı) 14 Eylül 2007'de yüksek çözünürlüklü kamera ve iki küçük uydu ile donatılmış olan SELENE adlı uzay aracını fırlattı. Uçuşun bir yıl sürmesi beklenmektedir.^[85]

Çin Ay araştırmaları için istekli olduklarını Chang'e programını başlatarak gösterdi. İlk uzay aracı Chang'e-1 24 Ekim 2007'de fırlatıldı.^[86]

Hindistan, ekim 2008'de Chandrayaan I görevini başlatmış ve başarıyla tamamlamıştır.^[87] Daha sonra, 22 temmuz 2019'da Chandrayaan II'yi başlatmış ama araç yüzeye inememiştir.^[88]

Rusya da dondurulmuş olan Luna-Glob projesine tekrar başlamayı ve 2012'de Ay yüzeyine iniş yapmayı düşünmektedir.^[89]

23 Ağustos 2023 tarihinde Hindistan, Ay'ın güney kutbu bölgesine uzay aracını başarıyla indirebilen ilk ülke olmuştur. ISRO ise Ay'a inmeyi başaran dördüncü uzay ajansı olmuştur.^[90]

19 Ocak 2024 tarihinde Japonya Uzay Ajansı uzay aracı SLIM'in Ay'ın yüzeyine indiğini açıkladı. Bununla birlikte Japonya Ay'a iniş yapan 5. ülke oldu.^[91]

13 Eylül 2007'de duyurulan Google Lunar X Prize (Google Ay X Ödülü) özel sektör tarafından finanse edilen Ay araştırmalarını artırmayı amaçlamaktadır. X Ödülü Vakfı, Ay üzerine robotik bir ay aracı gönderebilecek olan ve diğer bazı kriterlere uyacak olan herhangi bir kişiye 20 milyon dolar önermektedir.

Ay'daki insan aktivitesinin izlerine ek olarak, Ay Müzesi sanat eseri, Apollo 11 iyi niyet mesajı, Ay Plakası, Ölen Astronot anıtı ve diğer insan yapımı nesneler Ay yüzeyinde yer almaktadır.

[92] Uzay Aracının Adı	Fırlatılış Tarihi	Bilgi
Luna 2	12 Eylül 1959	Ay yüzeyine iniş yapan ilk araç. (Çarparak inebilmiştir)
Ranger 7	28 Temmuz 1964	Ay'dan görüntü alan ilk araç.
Ranger 8	17 Şubat 1965	Ay'dan görüntü aldı.
Ranger 9	21 Mart 1965	Ay yüzeyinin dağlık bölgeleri görüntülendi.
Luna 9	31 Ocak 1966	Ay'a yumuşak iniş yapan ilk araç, görüntüler aldı.
Surveyor 1	30 Mayıs 1966	Ay'a yumuşak iniş yapan ilk ABD aracı, görüntüler aldı.
Luna 13	21 Aralık 1966	Ay toprağının sertliğinin incelenmesi.
Surveyor 3	17 Nisan 1967	Ay yüzeyinde ilk kez çukur kazıldı.
Surveyor 5	8 Eylül 1967	Ay denizlerinin toprağı ilk kez incelendi.
Surveyor 6	7 Kasım 1967	Ay denizlerinin toprağı ilk kez incelendi.
Surveyor 7	7 Ocak 1968	Ay'daki dağlık bölgelere yumuşak iniş yapan ilk araç
Apollo 11	16 Temmuz1969	Ay'a insanlı ilk iniş (Sessizlik Denizi'ne inildi)
Apollo 12	14 Kasım 1969	İnsansız bir uzay aracının (Surveyor 3) yakınına insanlı ilk iniş
Luna 16	12 Eylül 1970	Ay'dan toprak örnekleri getiren ilk araç
Luna 17	10 Kasım 1970	Ay'a bir taşıt (Lunahod 1) indiren insansız ilk araç
Apollo 14	31 Ocak 1971	Ay'da dağlık bölgeye (Fra Mauro) insanlı ilk iniş
Apollo 15	26 Temmuz 1971	Ay yüzeyinde taşıtın ilk kez kullanılması
Luna 20	14 Şubat 1972	Ay'ın dağlık bölgelerinden toprak örnekleri alındı
Apollo 16	16 Nisan 1972	Ay'ın dağlık bölgelerinde ilk kez taşıtın kullanılması
Apollo 17	7 Aralık 1972	Ay'a yapılan son insanlı uçuş
Luna 21	8 Ocak 1973	Luna 20 ile aynı görev
Luna 24	9 Ağustos 1976	Luna 20 ile aynı görev

Ay birçok sanat ve edebiyat eserine konu olmuş ve sayısız başkalarına da ilhâm kaynağı olmuştur. Görsel sanatlar, sahne sanatları, şiir, yazın ve müzik için bir motif oluşturur. İrlanda'da Knowth'da bulunan 5.000 yıllık kaya üzerinde kazılı bulunan ve Ay'ı tasvir ettiği düşünülen eser keşfedilen en eski eserdir.^[93] Birçok tarihöncesi ve antik kültürde Ay'ın tanrı olduğuna ve diğer doğaüstü fenomenlerin kaynağı olduğuna inanılırdı. Ay üzerindeki astrolojik görüşler günümüzde de yaygındır.

Batı uygarlığında Ay hakkında bilimsel açıklama getiren ilk kişi Yunan filozof Anaxagoras olmuştur. Anaxagoras Güneş ve Ay'ın dev küresel kayalar olduğunu ve Ay'ın Güneş'in ışığını yansıttığını öne sürmüştür. Gökyüzü hakkında tanrıtanımaz görüşleri tutuklanmasına ve sürgüne gönderilmesine neden olmuştur.^[94]

Aristo'nun evren tanımında Ay değişken elementler (toprak, su, hava ve ateş) alanı ile Eter'in ölümsüz yıldızları arasındaki sınırı oluşturur. Bu ayrım yüzyıllar boyunca fiziğin bir parçasını oluşturmuştur.^[95]

Orta Çağ'a gelindiğinde, teleskobun keşfinden önce birçok kişi Ay'ın bir küre olduğunu kabul etti ancak "tamamen pürüzsüz" olduğuna inanılıyordu.^[96] 1609'da, Galileo Galilei, Siderus Nuncius adlı kitabında Ay'ın ilk teleskobik çizimlerini yayımladı ve ay yüzeyinin pürüzsüz olmadığını, dağlar ve kraterlerden oluştuğunu yazdı. Daha sonra 17. yüzyılda Giovanni Battista Riccioli ve Francesco Maria Grimaldi Ay'ın bir haritasını çizerek birçok kratere günümüzde bilinen adlarını verdi.

Haritalarda Ay yüzeyinin karanlık bölümleri maria ya da denizler ve açık bölümleri terrae ya da kıtalar olarak belirtilmiştir.

Ay üzerinde bitki örtüsünün varlığı ve yaşam olabileceği düşüncesi 19. yüzyılın başlarına kadar önemli gök bilimciler tarafından bile dikkate alınmıştır. Parlak yüksek bölgeler ile koyu denizler arasındaki kontrast değişik kültürler tarafında Ay'daki adam, tavşan, buffalo ve bunun gibi çeşitli modellemelere yol açmıştır.

1835'te Büyük Ay Aldatmacası birçok insanı Ay üzerinde egzotik hayvanların yaşadığına inandırmıştır.^[97] Hemen hemen aynı zamanlarda (1834–1836 arasında) Wilhelm Beer ve Johann Heinrich Mädler dört ciltlik Mappa Selenographica 'yı ve 1837'de Der Mond adlı kitabı yayımlamaktaydı. Bu eserler Ay üzerinde su ve atmosfer olmadığını belirtiyordu.

Ay'ın öteki yüzü 1959'da Luna 3 uzay sondası fırlatılana kadar bilinmiyordu. 1960'larda Lunar Orbiter programı tarafından haritası çıkarılmıştır.

Her ne kadar 1959 yılında Luna 2 ve bunu izleyen diğer inişlerde birçok Sovyetler Birliği bayrağı ile ABD bayrağı Ay yüzüne sembolik olarak dikilmişse de günümüzde Ay yüzeyi üzerinde hiçbir ulus hak iddia etmemektedir. Rusya ve ABD Ay'ı uluslararası sular ile aynı statüye koyan (res communis) Dış Uzay Anlaşması'nın taraflarıdır. Bu anlaşma aynı zamanda Ay'ın yalnızca barışçıl amaçlar için kulllanılmasını emreder ve askerî üsler ile kitle imha silahlarını ve her türden silahları yasaklar.^[98]

Ay kaynaklarının herhangi bir ülke tarafından tek başına kullanılmasını kısıtlayan ikinci bir anlaşma olarak Ay Anlaşması önerilmiştir ama uzay yolculuğuna çıkabilen ülkelerden hiçbiri bu anlaşmayı imzalamamıştır. Çeşitli kişiler Ay üzerinde tamamen ya da kısmen hak iddia etse de bunlar dikkate alınmamıştır.^[99]

• Ay teorisi
• Dünya'nın diğer doğal uyduları
• Gökyüzündeki en parlak doğal nesneler listesi

Görseller ve haritalar

• Constantine, M. (2004). "Apollo Panoramas". moonpans.com. 11 Nisan 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Clementine Lunar Image Browser 1.5". U.S. Navy. 15 Ekim 2003. 30 Aralık 2009 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Digital Lunar Orbiter Photographic Atlas of the Moon". Lunar and Planetary Institute. 7 Kasım 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Google Moon". Google. 2007. 30 Ağustos 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Lunar Atlases". Lunar and Planetary Institute. 18 Aralık 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• Aeschliman, R. "Lunar Maps". Planetary Cartography and Graphics. 29 Mayıs 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Lunar Photo of the Day". 2007. 30 Mayıs 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Moon". World Wind Central. NASA. 2007. 17 Nisan 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "The Moon: 50 fantastic features". Skymania. 2007. 13 Şubat 2009 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 29 Eylül 2007. 

Keşifler

• Jones, E.M. (2006). "Apollo Lunar Surface Journal". NASA. 18 Mayıs 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Exploring the Moon". Lunar and Planetary Institute. 18 Şubat 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• Teague, K. (2006). "The Project Apollo Archive". 4 Nisan 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 

Ay evreleri

• "Current Moon Phase". 2007. 17 Kasım 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "NASA's SKYCAL - Sky Events Calendar". NASA Eclipse Home Page. 21 Şubat 2008 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Ağustos 2007. 
• "Virtual Reality Moon Phase Pictures". U.S. Naval Observatory. 17 Kasım 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Find moonrise, moonset and moonphase for a location". 2008. 23 Mayıs 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 18 Şubat 2008. 

Diğerleri

• "All About the Moon". Space.com. 2007. 27 Aralık 2010 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• Earth's Moon ProfileNASA's Solar System Exploration9 Eylül 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• "Archive of Moon Articles". Planetary Science Research Discoveries. 2007. 17 Kasım 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• Williams, D.R. (2006). "Moon Fact Sheet". NASA. 28 Kasım 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Nisan 2007. 
• "Moon Wiki". 2007. 12 Eylül 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 6 Eylül 2007.