Mesiac

Mesiac (o názvoch pozri nižšie) je prirodzené vesmírne teleso obiehajúce okolo Zeme. Je jej jediným dlhodobým prirodzeným satelitom. Jeho symbolom je kosák: . 
Mesiac je približne guľatý a tvorený horninami, pričom obe vlastnosti sú u iných mesiacov v slnečnej sústave pomerne vzácne. Priemerná vzdialenosť medzi Mesiacom a Zemou je , mierne sa však mení v dôsledku jeho eliptickej dráhy. Priemer Mesiaca je 3 476 kilometrov, čo predstavuje asi štvrtinu priemeru Zeme. Vďaka relatívne veľkému rozmeru (je piatym najväčším spomedzi stoviek známych mesiacov slnečnej sústavy) a blízkosti k Zemi je okrem Slnka jediným vesmírnym telesom, ktoré možno vidieť voľným okom ako kotúčik a dokonca rozoznávať najväčšie útvary na jeho povrchu. Aj voľným okom sú na Mesiaci badateľné tmavšie škvrny, ktoré sa nazývajú moria ("Mare"). V skutočnosti však ide o veľké plochy stuhnutej lávy z dávnych geologických procesov. Kvapalná voda a v podstate ani atmosféra sa na Mesiaci nenachádzajú, čo je zase medzi inými mesiacmi bežný rys.
Pri obehu Mesiaca okolo Zeme sa striedajú mesačné fázy. V jednotlivých fázach vidíme rôzne veľkú časť jeho Slnkom osvetlenej strany. Najmenšiu časť tejto osvetlenej strany vidíme v nove (0 %) a najväčšiu v splne (100 %). Medzi fázou Mesiaca a časťou dňa (noci), v ktorej pozorujeme Mesiac na pozemskej oblohe, existuje súvislosť. Fázy sa vystriedajú približne za 29,5 dňa a tento časový interval sa stal základom pre kalendárny mesiac. Doba obehu Mesiaca okolo Zeme je o čosi kratšia, zhruba 27,5 dňa, a za rovnakú dobu sa Mesiac tiež otočí okolo svojej osi. Preto pozorovatelia zo Zeme vidia stále tú istú pologuľu Mesiaca, takzvanú privrátenú stranu.
Mesiac zohráva dôležitú úlohu pri udržiavaní sklonu osi rotácie Zeme v určitých medziach, čo má za následok stabilné striedanie ročných období z dlhodobého časového hľadiska. Mesiac sa svojou gravitáciou podstatne podieľa na prílive a odlive na Zemi. Je tiež kľúčovým elementom pri zatmeniach Slnka a Mesiaca. 
Ako naše najbližšie vesmírne teleso bol Mesiac odjakživa prirodzeným prvým cieľom výskumu prostredníctvom kozmonautiky. Bol prvým telesom, ku ktorému sa ľudstvo pokúsilo vyslať kozmickú sondu (Pioneer 0), prvým telesom, okolo ktorého kozmická sonda úspešne preletela (Luna 1), dopadla naň (Luna 2), mäkko na ňom pristála (Luna 9) a vrátila sa z neho so vzorkami (Luna 16). Je to tiež jediné vesmírne teleso navštívené ľudskými posádkami. V roku 1969 pristáli Neil Armstrong a Buzz Aldrin ako prví ľudia na Mesiaci. Zásluhou nepilotovaného aj pilotovaného výskumu, ako aj pozemských pozorovaní, je Mesiac hneď po Zemi najpreskúmanejším objektom slnečnej sústavy.
Názov.
V astronómii sa toto teleso označuje ako Mesiac (s veľkým m), inak aj ako mesiac (s malým m); napríklad „let na Mesiac“, ale „spln mesiaca“ alebo „spln Mesiaca“. 
Zriedkavejší názov je Luna (v astronómii) či luna (najmä poeticky). Toto slovo ("luna") aj v latinčine znamená Mesiac, mesačnú noc a (s veľkým L) bohyňu Mesiaca, ale slovenské slovo "luna" pochádza z praslovanského slova *"luna".
Prídavné mená k vyššie uvedeným slovám sú mesačný a lunárny. 
V cudzích slovách, ktorých prvá časť znamená Mesiac či mesačný, sa spravidla používa výraz "selen"("o")-, napr. selenológia, selenocentrický, Seleniti. Slovo "selen"("o")- pochádza z gréckeho σελήνη – "seléné", čo je grécky výraz pre Mesiac a bohyňu Mesiaca Seléné.
Dve strany.
Mesiac je v synchrónnej (viazanej) rotácii so Zemou, čo znamená, že jedna strana Mesiaca („privrátená strana“) je stále obrátená k Zemi. Druhú, „odvrátenú stranu“, nie je možné zo Zeme z väčšej časti vidieť, okrem malých častí na okraji disku, ktoré možno príležitostne vidieť vďaka librácii. Táto synchrónna rotácia je výsledkom otočného momentu, ktorý spomaľoval rotáciu Mesiaca v jeho skorej histórii, až došlo k rezonancii obehu a rotácie. Väčšina odvrátenej strany bola až do éry kozmických sond celkom neznáma. 
Odvrátená strana sa občas nazýva tiež „temnou stranou“. „Temná“ v tomto prípade znamená „neznáma a skrytá“ a nie „bez svetla“; v skutočnosti prijíma odvrátená strana v priemere rovnaké množstvo slnečného svetla ako privrátená strana. Umelé kozmické teleso na odvrátenej strane Mesiaca by bolo odrezané od priamej rádiovej komunikácie so Zemou, preto prvé pristátie kozmickej sondy na nej prebehlo až niekoľko desaťročí po prvom pristátí na privrátenej strane Mesiaca.
Odlišujúcim rysom odvrátenej strany je takmer úplná absencia tmavých škvŕn (oblastí s nízkym albedom), tzv. morí.
Prvú mapu Mesiaca urobenú z pozorovaní ďalekohľadom nakreslil Thomas Harriot v roku 1609. Odvrátenú stranu Mesiaca prvýkrát odfotografovala sonda Luna 3 v roku 1959; veľmi podrobné mapy Mesiaca vznikli v rámci programu Apollo.
Obeh.
Mesiac vykoná kompletný obeh Zeme asi za jeden kalendárny mesiac. Každú hodinu sa Mesiac posunie vzhľadom na hviezdy o vzdialenosť zhruba rovnú jeho uhlovému priemeru, približne o 0,5°. Mesiac, na rozdiel od väčšiny satelitov iných planét, má orbitu blízku rovine ekliptiky a nie rovine zemského rovníku.
Niektoré spôsoby nazerania na obeh sú podrobnejšie rozobraté v nasledujúcej tabuľke, ale dva najbežnejšie sú: siderický mesiac, čo je doba úplného obehu vzhľadom na hviezdy, trvajúci asi 27,3 dní, a synodický mesiac, čo je doba, ktorú zaberie dosiahnutie rovnakej fázy, dlhá približne 29,5 dňa. Rozdiel medzi nimi je spôsobený tým, že v priebehu obehu prejde Zem aj Mesiac určitú vzdialenosť na orbite okolo Slnka.
Za jeden siderický mesiac Zem obehne okolo Slnka uhol asi 26,9° – pri pozorovaní zo Zeme to pozorujeme tak, že Slnko sa posunie o ten istý uhol po ekliptike smerom na východ, prejde približne jedno znamenie zvieratníka. Mesiac sa teda musí posunúť o ten istý uhol 26,9° okolo Zeme, aby sme na Zemi pozorovali rovnakú fázu. Dĺžka synodického mesiaca je 29d 12h 02,8s – 29,530 59 stredných slnečných dní.
Po ubehnutí jedného siderického mesiaca opíše Mesiac okolo Zeme 360°, no potrebuje ešte asi 2d 5h, aby sa dostal do rovnakej polohy vzhľadom na Zem a Slnko – do rovnakej fázy pozorovanej zo Zeme.
Mesiac je na svojej obežnej dráhe udržiavaný gravitačnou silou Zeme. Rovnako aj Mesiac pôsobí svojou gravitačnou silou na Zem, čo sa prejavuje najmä kolísavou zmenou výšky hladín morí a oceánov. Mesiac spôsobuje svojou gravitáciou zdvih hladiny, ktorému hovoríme príliv na privrátenej strane Zeme k Mesiacu a súčasne odstredivá sila spôsobuje príliv aj na odvrátenej strane Zeme (vzhľadom na to, že aj Zem obieha okolo spoločného ťažiska s Mesiacom). Poklesu hladiny v dôsledku slabnúceho pôsobenia gravitačnej sily Mesiaca na území medzi stranou privrátenou k Mesiacu a odvrátenou od neho hovoríme odliv. Bežný interval medzi jedným a druhým prílivom je 12 hodín a 25 minút, čo je dané dobou rotácie Zeme okolo vlastnej osi a obehu Mesiaca okolo Zeme. Rozdiel výšky hladiny medzi prílivom a odlivom môže byť aj viac ako 19 metrov (Fundyjský záliv v Severnej Amerike / Kanada).
Prílivová vlna je synchronizovaná s obehom Mesiaca okolo Zeme. Synchrónnosť rotácie je presná iba v priemere, pretože mesačná orbita má istú výstrednosť. Keď je Mesiac v perigeu, jeho rotácia je pomalšia ako pohyb po obežnej dráhe, čo nám umožňuje vidieť asi osem stupňov dĺžky z jeho východnej (pravej) strany navyše. Na druhej strane, keď sa Mesiac dostane do apogea, jeho rotácia je rýchlejšia ako pohyb po obežnej dráhe, čo odkrýva ďalších osem stupňov dĺžky z jeho západnej (ľavej) strany. To sa nazýva "optická librácia v dĺžke". Slapové vzdutie Zeme spôsobené mesačnou gravitáciou sa oneskoruje za príslušnou polohou Mesiaca z dôvodu odporu oceánskeho systému – najmä kvôli zotrvačnosti vody a treniu, ako sa prelieva cez oceánske dno, preniká do zálivov a ústí riek a zase sa z nich vracia. Následkom toho je časť zemského rotačného momentu pomaly premieňaná do obehového momentu Mesiaca, takže sa Mesiac pomaly vzďaľuje od Zeme rýchlosťou asi za rok a súčasne sa tak spomaľuje rotačná doba Zeme okolo svojej osi (v geologickej minulosti trval rok aj viac ako 400 dní – dni boli kratšie).
Pretože je mesačná orbita naklonená k zemskému rovníku, zdá sa, že Mesiac osciluje hore a dole (podobne ako ľudská hlava, keď kýva na súhlas) pri svojom pohybe v ekliptikálnej šírke (deklinácia). Tento jav sa nazýva "optická librácia v šírke" a odkrýva pozorovateľovi z polárnych oblastí Mesiaca asi sedem stupňov šírky.
Na koniec, pretože je Mesiac vzdialený iba asi 60 zemských polomerov, pozorovateľ na rovníku vidí Mesiac v priebehu noci z dvoch bodov vzdialených od seba jeden zemský priemer. Táto vlastnosť sa nazýva "optická librácia paralaktická" a odkrýva asi jeden stupeň mesačnej dĺžky.
Zem a Mesiac obiehajú okolo ich barycentra alebo všeobecnejšie ťažiska, ktoré leží asi od zemského stredu (asi 3/4 cesty k povrchu). Pretože sa barycentrum nachádza pod povrchom Zeme, zemský pohyb sa dá popísať ako „hojdanie“. Ak sa pozrieme z pozemského severného pólu, Zem a Mesiac rotujú proti smeru hodinových ručičiek okolo svojich osí; Mesiac obieha Zem proti smeru hodinových ručičiek a Zem obieha Slnko tiež proti smeru hodinových ručičiek.
Môže vyzerať zvláštne, že sklon lunárnej orbity a vychýlenia mesačnej osi rotácie sú v prehľade vypísané ako významne sa meniace. Tu je potrebné poznamenať, že sklon orbity je meraný vzhľadom na primárnu rovníkovú rovinu (v tomto prípade zemskej) a vychýlenie osi rotácie vzhľadom na normál voči rovine orbity satelitu (mesačnej). Pre väčšinu satelitov planét, nie však pre Mesiac, tieto konvencie odrážajú fyzikálnu realitu a ich hodnoty sú preto stabilné.
Isaac Asimov navrhol považovať Zem a Mesiac za „dvojplanétu“ a to preto, že napriek tomu, že Zem je mnohonásobne hmotnejšia, má na obežnú dráhu Mesiaca len 46% vplyv ako Slnko. Rovina mesačnej orbity zachováva sklon 5,145 396° "vzhľadom na ekliptiku" (orbitálnu rovinu Zeme) a mesačná os rotácie má stálu výchylku 1,5424° "vzhľadom na normále na rovnakú rovinu". Rovina mesačnej orbity vykonáva rýchlu precesiu (čiže jej prienik s ekliptikou rotuje v smere hodinových ručičiek) počas 6793,5 dní (18,5996 rokov), z dôvodu gravitačného vplyvu zemskej rovníkovej deformácie. V priebehu tejto periódy sa preto zdá, že sklon roviny mesačnej orbity kolíše medzi 23,45° + 5,15° = 28,60° a 23,45° − 5,15° = 18,30°. Súčasne sa javí, že výchylka osi mesačnej rotácie "vzhľadom na normál na rovinu obežnej dráhy Mesiaca" kolíše medzi 5,15° + 1,54° = 6.69° a 5,15° − 1,54° = 3,60°. Za povšimnutie stojí, že výchylka zemskej osi tiež reaguje na tento proces a sama kolíše o 0,002 56° na každú stranu okolo svojej priemernej hodnoty; tento jav sa nazýva nutácia.
Body, v ktorých Mesiac pretína ekliptiku, sa nazývajú „lunárne uzly“: severný (alebo vzostupný) uzol je tam, kde Mesiac prechádza na sever ekliptiky; južný (alebo zostupný) je tam, kde prechádza na juh. Zatmenie Slnka nastáva, ak sa uzol stretne s Mesiacom v nove; zatmenie Mesiaca, ak sa uzol stretne s Mesiacom v splne.
Striedanie mesačných fáz.
Dochádza k nemu preto, že Slnko osvetľuje vždy inú časť mesačného povrchu. Ako sa mení poloha Mesiaca voči Slnku a Zemi, mení sa vzhľad Mesiaca ako ho vidíme zo Zeme.
O dva – tri dni sa Mesiac objaví na západe po západe Slnka ako tenký kosáčik. Zo dňa na deň kosáčik Mesiaca dorastá (vyzerá ako písmeno D) a posúva sa na východ (každý deň vychádza neskôr ako v predchádzajúci). Na nočnej oblohe ho vídame večer.
Medzi dvoma novmi uplynie takmer 29,5 dňa, hovoríme tomu lunácia.
Mnemotechnická pomôcka pre fázy Mesiaca:
Pôvod.
Sklon mesačnej orbity robí možnosť, že by sa Mesiac vytvoril spolu so Zemou, alebo že by bol zachytený neskôr, nepravdepodobnou. Jeho pôvod je predmetom mnohých vedeckých debát.
Jedna z dávnejších špekulácií – "teória odtrhnutia" predpokladala, že sa Mesiac odtrhol zo zemskej kôry vplyvom odstredivej sily, zanechávajúc za sebou dnešné oceánske dno ako jazvu. Tento koncept by však vyžadoval príliš rýchlu počiatočnú rotáciu Zeme. Niektorí si mysleli, že sa Mesiac sformoval inde a bol zachytený na terajšiu obežnú dráhu ("teória zachytenia").
Iní dávali prednosť "teórii spoločného vzniku", podľa ktorej vznikli Zem a Mesiac zhruba v rovnakom čase z akrečného disku. Táto teória však nevie vysvetliť nedostatok železa na Mesiaci. Ďalší navrhli, že sa Mesiac mohol sformovať z úlomkov zachytených na obežnú dráhu po kolízii asteroidov alebo planetezimál.
"Teória dvoch mesiacov", ktorá je podložená počítačovým modelom, hovorí o dvoch telesách, ktoré pôvodne obiehali Zem, ale časom sa v malej rýchlosti zrazili (okolo 7000 km/hod). Väčšie teleso malo mať trojnásobok hmotnosti menšieho. Táto teória dobre vysvetľuje asymetrie v zložení Mesiaca.
V súčasnosti sa prijíma "Teória veľkého impaktu", podľa ktorej Mesiac pochádza z vyvrhnutého materiálu po kolízii formujúcej sa žeravej Zeme s planetesimálou veľkosti Marsu (pracovne nazývanou Theia).
Geologické obdobia Mesiaca sú definované na základe datovania rôznych významných impaktov v mesačnej histórii.
Slapové sily deformovali predtým žeravý Mesiac do tvaru elipsoidu s jeho hlavnou osou nasmerovanou k Zemi.
Vek.
Analýza vzoriek hornín (pomer vzácnych rádioaktívnych prvkov) z misií Apollo určila vek Mesiaca na 50 miliónov rokov po vzniku slnečnej sústavy.
Fyzikálne charakteristiky.
Zloženie.
Pred viac ako 4,5 miliardami rokov pokrýval povrch Mesiaca tekutý oceán magmy. Vedci sa domnievajú, že jeden typ lunárnych kameňov, KREEP (K – draslík, REE – "rare earth elements" – kovy vzácnych zemín, P – fosfor) predstavuje po chemickej stránke zvyšok tohto magmatického oceánu. KREEP je vlastne zmes toho, čo vedci nazývajú „nekompatibilné prvky“: tie, ktoré sa nemohli zapojiť do kryštalickej štruktúry, zostali mimo nej a vyplávali na povrch magmy. Pre výskumníkov je KREEP vhodným svedkom schopným podať správu o vulkanickej histórii mesačnej kôry a zaznamenať frekvenciu dopadov komét a iných nebeských telies.
Mesačná kôra je zložená z rôznych prvkov, hlavne kyslíka (41 – 45 %), kremíka, hliníka, vápnika, železa, horčíka a titánu ostatné 1 % tvoria mangán, sodík, draslík a fosfor. Pri bombardovaní kozmickým žiarením vyžaruje každý prvok späť do vesmíru vlastnú radiáciu ako gama lúče. Niektoré prvky ako urán, tórium a draslík sú rádioaktívne a produkujú gama lúče samy od seba. Gama lúče sú však, nezávisle od toho, čo ich spôsobuje, pre každý prvok navzájom rôzne – všetky produkujú jedinečné spektrálne čiary, zistiteľné spektrometrom.
Kompletné globálne zmapovanie Mesiaca podľa miery výskytu týchto prvkov sa dosiaľ neuskutočnilo. Niektoré kozmické sondy ho však uskutočnili na časti Mesiaca; sonda Galileo sa touto činnosťou zaoberala počas svojho preletu okolo Mesiaca v roku 1992. Predpokladá sa, že celkové zloženie Mesiaca je podobné ako zemské, až na nedostatok prchavých prvkov a železa.
Povrch.
Najvrchnejšiu časť mesačnej kôry tvorí nesúdržná kamenná vrstva rozdrvených hornín a prachu nazývaná regolit. Kôra aj regolit nie sú po celom Mesiaci rozložené rovnomerne. Hrúbka kôry kolíše od na privrátenej strane do na odvrátenej strane. Hrúbka regolitu sa pohybuje od 3 do v moriach a od 10 do vo vrchovinách.
Mesiac je pokrytý desiatkami tisíc kráterov s priemerom väčším ako . Väčšina je stará stovky miliónov alebo miliardy rokov; neprítomnosť atmosféry, počasia a nových geologických procesov zabezpečuje, že väčšina z nich zostane prakticky navždy zachovaná. Krátery vznikli väčšinou v dôsledku dopadu meteoritov, niektoré možno aj sopečnou činnosťou (v kráteri "Alphonsus" sú zistené výrony oxidu uhličitého). Na južnej pologuli je vidieť najvýraznejší "kráter Tycho" s rozbiehajúcimi sa svetlými lúčmi (typickými pre mladé krátery), v oblasti morí východnej pologule aj voľnými očami vidíme "kráter Kopernik", ktorého priemer je približne .
Najväčší kráter na Mesiaci a naozaj najväčší známy kráter v slnečnej sústave tvorí panvu South Pole-Aitken. Tento kráter sa nachádza na odvrátenej strane blízko južného pólu, má priemer a hĺbku .
Tmavé a relatívne jednotvárne mesačné planiny sa nazývajú moria (po latinsky "mare", v množnom čísle "maria"), pretože starí astronómovia verili, že ide o moria naplnené vodou. V skutočnosti ide o rozsiahle prastaré čadičové prúdy lávy, ktoré vyplnili panvy veľkých impaktných kráterov. Svetlejšie vrchoviny sa označujú ako pevniny (po latinsky "terra", v množnom čísle "terrae"). Moria sa nachádzajú takmer výlučne na privrátenej strane Mesiaca, na odvrátenej je iba niekoľko rozptýlených fľakov. Podľa jednej hypotézy je asymetria v mesačnej kôre je spôsobená synchronizáciou medzi mesačnou rotáciou a obehom okolo Zeme. Táto synchronizácia vystavuje odvrátenú stranu Mesiaca častejším dopadom asteroidov a meteoritov ako privrátenú stranu, na ktorej neboli moria prekryté krátermi tak rýchlo. Podľa inej teórie povrch privrátenej strany udržiavalo dlhšie roztavený teplo zo Zeme, ktorá sa v tom čase nachádzala omnoho bližšie k Mesiacu ako je teraz. Preto sa na privrátenej strane Mesiaca utvorila tenšia kôra, ktorú magma ľahšie prerážala. Rozdielnosť hrúbky mesačnej kôry na privrátenej a odvrátenej strane Mesiaca sa zistila vďaka poznatkom získaným pri misiách Apollo.
V roku 2004 zistil tím vedený Dr. Benom Busseym z Univerzity Johnsa Hopkinsa na základe obrázkov získaných sondou Clementine, že štyri hornaté oblasti lemujúce široký kráter Peary na mesačnom severnom póle sa zdajú byť osvetlené po celý mesačný deň. Tieto nemenované „hory večného svetla“ môžu existovať vďaka extrémne malej výchylke mesačnej osi, ktorá na druhej strane umožňuje tiež existenciu večného tieňa na dne mnohých polárnych kráterov. Na menej hornatom južnom póle oblasti večného svetla nenájdeme, aj keď okraj krátera Shackleton je osvetlený až 80 % mesačného dňa. Obrázky z Clementine boli získané, keď severná mesačná pologuľa zažívala letné obdobie a nie je známe, či sa tieto hory v zimnom období predsa len neschovali do tieňa.
Teplota Mesiaca.
Priemerná teplota na povrchu Mesiaca je -23°C. Na osvetlenej časti teplota stúpa až na +127 °C, na tmavej časti klesá až na −173 °C. Na mesačných póloch, v celoročne zatienených kráteroch, však teplota môže klesať až na teploty −240 °C. Pod povrchom sa teplota rýchlo stabilizuje a je celoročne takmer konštantná.
V mieste pristátia Apolla 15 bola v rokoch 1972 – 1974 nameraná nasledovná teplota:
Prítomnosť vody.
Voda v kvapalnom skupenstve na mesačnom povrchu nevydrží. Pri vystavení slnečnému žiareniu sa voda rýchlo rozkladá procesom známym ako fotodisociácia a stráca sa vo vesmíre. Od šesťdesiatych rokov 20. storočia však vedci predpokladali, že vodný ľad sa môže ukladať nárazom komét alebo môže vzniknúť reakciou lunárnych hornín bohatých na kyslík s vodíkom zo slnečného vetra, zanechávajúc stopy vody, ktoré by mohli pretrvávať v chladných a trvalo zatienených kráteroch na oboch póloch Mesiaca. Počítačové simulácie naznačujú, že až povrchu môže byť v neustálom tieni. Prítomnosť použiteľného množstva vody na Mesiaci je dôležitým faktorom pri mesačnom osídľovaní, alternatívna prepravy vody zo Zeme by bola neúmerne drahá.
Odvtedy sa zistilo, že na lunárnom povrchu existujú stopy po vode. V roku 1994 bistatický radarový experiment, ktorý sa nachádzal na sonde Clementine, naznačil existenciu malých zamrznutých káps vody blízko povrchu. Neskoršie radarové pozorovania observatória Arecibo však naznačujú, že tieto nálezy môžu byť skôr horniny vyvrhnuté z mladých impaktných kráterov. V roku 1998 neutrónový spektrometer na kozmickej sonde Lunar Prospector ukázal, že vysoké koncentrácie vodíka sú prítomné v prvom metri hĺbky regolitu v blízkosti polárnych oblastí. Kúsky sopečnej lávy privezené späť na Zem na palube Apolla 15 vykazovali vnútri malé množstvo vody.
Sonda Čandraján-1 z roku 2008 odvtedy potvrdila existenciu povrchového vodného ľadu pomocou palubného prístroja Moon Mineralogy Mapper. Spektrometer v odraze slnečného žiarenia pozoroval absorpčné línie typické pre hydroxyl, ktoré poskytujú dôkaz o veľkom množstve vodného ľadu na lunárnom povrchu. Sonda ukázala, že koncentrácia môže byť až 1 000 ppm. Merania odrazového spektra z tieňov potvrdili v roku 2018 vodný ľad na 20° zemepisnej šírky od oboch pólov. Ľad bol umiestnený lokálne. V roku 2009 spoločnosť LCROSS poslala na mesačný povrch nárazový pristávací modul s hmotnosťou 2 300 kg do trvalo zatieneného polárneho kráteru a vo vyvrhnutom materiáli detegovala najmenej 100 kg vody. Ďalšie skúmanie údajov LCROSS ukázalo, že množstvo zistenej vody je bližšie k 155 ± 12 kg.
V máji 2011 bolo v inklúziách mesačnej vzorky 74220 nájdených 615 – 1 410 ppm vody. Išlo o slávnu vzorku „oranžovej pôdy“ s vysokým obsahom titánu pozbieranej počas misie Apollo 17 v roku 1972. Inklúzie sa vytvorili počas výbušnej erupcie na Mesiaci približne pred 3,7 miliardami rokov. Táto koncentrácia je porovnateľná s koncentráciou magmy vo vrchnom zemskom plášti. Tento objav, aj keď má značný selenologický význam, nie je pre kolonizáciu Mesiaca použiteľný – vzorka pochádza z hĺbky niekoľko kilometrov a pri súčasných technológiách je ťažba vody nereálna.
Analýza dát z Mesiac Mineralogy Mapper (M3) odhalila v auguste 2018 prvýkrát „definitívny dôkaz“ o vodnom ľade na lunárnom povrchu. Dáta odhalili zreteľné reflexné stopy vodného ľadu na rozdiel od prachu a iných reflexných látok. Ľadové usadeniny boli nájdené na severných a južných póloch, hoci sú na juhu hojnejšie. Voda sa nachádza v trvalo zatienených kráteroch a štrbinách, čo jej umožňuje pretrvávať vo forme ľadu na povrchu, pretože je chránená pred slnkom.
V októbri 2020 potvrdila NASA pomocou stratosférického infračerveného teleskopu SOFIA prítomnosť vody na slnkom osvetlenom povrch Mesiaca. Ide o malé množstvo, približne 0,35 l na . Pre porovnanie je to 100-krát menej ako na Sahare. Našla sa v kráteri "Clavius". Ako sa dokáže voda udržať na povrchu nie je zatiaľ zrejmé.
Magnetické pole.
Oproti Zemi má Mesiac veľmi slabé magnetické pole. Zatiaľ čo časť mesačného magnetizmu je považovaná za jeho vlastný (ako pásmo mesačnej kôry nazývané Rimae Sirsalis), je možné, že zrážka s inými nebeskými telesami jeho magnetické vlastnosti posilnila. To, či teleso slnečnej sústavy bez atmosféry ako Mesiac môže získať magnetizmus vďaka dopadom komét a asteroidov, je dlhotrvajúcou vedeckou otázkou. Magnetické merania môžu poskytnúť tiež informácie o veľkosti a elektrickej vodivosti mesačného jadra – tieto výsledky by vedcom pomohli lepšie porozumieť pôvodu Mesiaca. Napríklad, pokiaľ by sa ukázalo, že jadro obsahuje viac magnetických prvkov (ako je železo) ako Zem, ubralo by to teórii veľkého impaktu na vierohodnosti (aj keď sú tu alternatívne vysvetlenia, podľa ktorých by mesačná kôra mala tiež obsahovať menej železa).
Štúdia z roku 2020 tvrdí, že Mesiac musel mať minulosti vnútorné dynamo a impakty iných telies na jeho povrchu negenerujú dostatočne veľké magnetické polia. 
Vedci na University of Texas v Austine vytvorili hypotézu, podľa ktorej mal Mesiac pred 4 miliardami rokmi jadro obklopené tekutým oceánom magmy. Oceán rotáciou vytváral silné magnetické pole. Merania skál, ktoré doniesli misie Apollo, preukázali, že Mesiac mal v minulosti nad povrchom silné magnetické pole. Pred 3,5 miliardami rokov toto pole postupne zaniklo.
Vnútorná stavba.
Pod mesačnou kôrou sa nachádza plášť s odhadovanou hĺbkou 1 500 km. Jeho hornú časť tvorí pevná litosféra, kým spodnú časť polotekutá astenosféra. Litosféra má zhruba dvakrát väčšiu hrúbku než astenosféra. V strede Mesiaca je relatívne malé jadro s nízkym obsahom železa. Predpokladá sa, že teplota mesačného jadra, s priemerom približne 330 – 500 km, dosahuje +1400°C. Informácie o mesačnom vnútri získali vedci na základe mesačnej seizmológie.
Atmosféra.
Mesiac má relatívne nevýznamnú a riedku atmosféru. Jedným zo zdrojov tejto atmosféry je odplyňovanie – uvoľňovanie plynov, napríklad radónu, ktorý pochádza hlboko z mesačného vnútra. Ďalším dôležitým zdrojom plynov je slnečný vietor, ktorý je rýchlo zachytávaný mesačnou gravitáciou.
Atmosféra v minulosti.
Súčasný stav atmosféry trvá približne 3 miliardy rokov. Pred týmto obdobím mal Mesiac hustú atmosféru vytvorenú vulkanickou činnosťou (mal cca 1,5 krát väčší atmosférický tlak ako súčasný Mars). Za 70 miliónov rokov sa vytratila.
Prášenie na Mesiaci.
Neďaleko sondy Surveyor 3 pristála 19. novembra 1969 pilotovaná misia Apollo 12. Nakoľko na Mesiaci je nevýznamná atmosféra, posádku Apolla 12 prekvapila vrstva prachu na sonde, ktorá tam pristála len dva roky pred nimi. Prach na sonde mohol pochádzať z piatich zdrojov:
Tektonika.
Mesiac je tektonicky aktívny. Misie Apollo zaznamenali 28 slabých otrasov. Podľa analýzy z roku 2019 sú tieto otrasy spôsobené schladením a následným zmršťovaním telesa. Dôkazom sú aj relatívne mladé násuny.
Zatmenie.
"Hlavné články: Zatmenie Slnka a Zatmenie Mesiaca"
Hoci ide naozaj len o zhodu okolností, uhlové priemery Mesiaca a Slnka videné zo Zeme sú v rámci svojich zmien schopné sa navzájom prekrývať, takže je možné ako úplné tak aj prstencové zatmenie Slnka. Pri úplnom zatmení Mesiac celkom zakrýva slnečný disk a slnečná koróna je viditeľná voľným okom.
Pretože sa vzdialenosť medzi Mesiacom a Zemou veľmi pomaly zväčšuje, uhlový priemer Mesiaca sa zmenšuje. To znamená, že pred niekoľkými miliónmi rokov pri zatmení Slnka Mesiac Slnko vždy úplne zakryl a nemohlo nastať žiadne prstencové zatmenie. Z toho ale vyplýva, že za niekoľko miliónov rokov už nebude Mesiac schopný Slnko úplne zakryť a žiadne úplné zatmenia už nebudú.
Zatmenia nastávajú iba vtedy, keď sa Slnko, Zem a Mesiac nachádzajú v jednej priamke. Zatmenia Slnka môžu nastať iba ak je Mesiac v nove; zatmenie Mesiaca iba ak je v splne.
Pozorovanie Mesiaca.
Mesiac (a tiež Slnko) sa zdajú byť väčšími, keď sa približujú k horizontu. Je to čisto psychologický efekt (pozrite sa na Mesačné ilúzie). Uhlový priemer Mesiaca zo Zeme je asi pol stupňa.
Rôzne svetlejšie a tmavšie zafarbené oblasti (najmä moria) tvoria vzor videný rôznymi kultúrami ako mesačný muž, králik a bizón a pod. Krátery a horské masívy tiež patria medzi nápadné mesačné rysy.
Počas najjasnejšieho splnu môže mať Mesiac magnitúdu asi −12,6. Pre porovnanie, Slnko má magnitúdu −26,8.
Mesiac je najjasnejší v noci, ale občas (mimo splnu a novu) je možné ho vidieť aj počas dňa.
Pre ľubovoľné miesto na Zemi kolíše najväčšia výška Mesiaca počas dňa v približne rovnakých medziach ako najväčšia výška Slnka a závisí na ročnom období a mesačnej fáze. Napríklad v zime putuje Mesiac najvyššie, ak je v splne, v lete je zase najvyššie vtedy, ak je v nove.
"Pozrite sa tiež na:" Fázy Mesiaca.
Librácia Mesiaca.
Librácia Mesiaca je oscilácia okolo jeho strednej pozície. Skladá sa z librácie v šírke a dĺžke. K tomu sa dá pripočítať aj denná librácia, ktorá umožňuje na rovníku vidieť z Mesiaca ešte o 57' viac z každej strany. Smerom k pólom táto paralaktická librácia klesá k nule.
Prieskum Mesiaca.
Prvý človekom vyrobený predmet, ktorý dosiahol Mesiac, bola automatická sovietska sonda Luna 2, ktorá na neho dopadla 4. septembra 1959 o 21:02:24 Z. Odvrátená strana bola po prvýkrát vyfotografovaná 7. októbra 1959 sovietskou sondou Luna 3. Luna 9 bola prvou sondou, ktorá mäkko pristála na Mesiaci a 3. februára 1966 priniesla obrázky mesačného povrchu. Prvým umelým satelitom Mesiaca bola sovietska sonda Luna 10 (odštartovala 31. marca 1966).
Členovia posádky Apolla 8, Frank Borman, Jim Lovell a William Anders, sa 24. decembra 1968 stali prvými ľuďmi, ktorí na vlastné oči videli odvrátenú stranu Mesiaca.
Ľudia po prvýkrát pristáli na Mesiaci 20. júla 1969, čím vyvrcholili studenou vojnou inšpirované vesmírne preteky medzi Sovietskym zväzom a Spojenými štátmi americkými. Prvým mužom, ktorý kráčal po mesačnom povrchu, bol Neil Armstrong, veliteľ americkej misie Apollo 11. Posledným človekom, ktorý stál na Mesiaci, bol Eugene Cernan, ktorý v rámci misie Apollo 17 kráčal po Mesiaci v decembri 1972. "Pozri aj:" Kompletný zoznam lunárnych astronautov.
Posádka Apolla 11 nechala na Mesiaci 23× doštičku z nehrdzavejúcej ocele na oslavu pristátia, ktorá je schopná priniesť základné informácie o návšteve akýmkoľvek iným bytostiam, ktoré by ju mohli vidieť. Nápis na nej hovorí:
Doštička zobrazuje dve strany planéty Zem a je podpísaná tromi astronautmi a prezidentom USA Richardom Nixonom.
Mesačné vzorky privezené na Zem pochádzajú zo šiestich misií s ľudskou posádkou, z troch misií Luna (číslo 16, 20 a 24) a z čínskej sondy Čchang-e 5.
Na Mesiac boli dopravené tiež dva Lunochody, pohyblivé, na diaľku zo Zeme riadené prieskumné prostriedky (osemkolesové). Prvý Lunochod bol dopravený na Mesiac sovietskou kozmickou sondou Luna 17 (pristál v Mori dažďov v roku 1970). Získal snímky povrchu, skúmal chemické zloženie a mechanické vlastnosti povrchu Mesiaca.
Po poslednej sovietskej sonde Luna 24 z roku 1976 bol prieskum Mesiaca na dlhšiu dobu obmedzený. Opätovne boli k Mesiacu nové sondy vyslané až v 90. rokoch: išlo o prvé japonské mesačné sondy Hiten a Hagoromo a o americkú sondu Clementine. Postupne sa záujem o kozmický prieskum Mesiaca obnovuje. Vo februári 2004 sa americký prezident George W. Bush prihlásil k plánu na obnovenie letov k Mesiacu s posádkou do roku 2020 (hoci neskôr bol tento plán zrušený). V súčasnosti prebieha program Artemis, ktorý má na mesačný povrch vrátiť Američanov v nových kozmických lodiach Orion vynášaných novými nosnými raketami. Artemis už ale nie je výlučne americký projekt, vzniká v spolupráci s viacerými kozmickými agentúrami. 
Skupina štyroch spolupracujúcich vesmírnych agentúr tiež plánuje na obežnej dráhe okolo Mesiaca postaviť vesmírnu stanicu Lunar Gateway. 
Európska vesmírna agentúra rovnako ako Čínska ľudová republika majú tiež plán na skoré vypustenie ďalších sond na prieskum Mesiaca. Európska kozmická sonda SMART 1 odštartovala 27. septembra 2003 a na mesačnú orbitu vstúpila 15. novembra 2004. Dva roky sledovala mesačný povrch a vytvárala jeho röntgenovú mapu. 
Čína deklarovala ambiciózne plány na výskum Mesiaca a skúmanie vhodných nálezísk pre ťažbu na Mesiaci, hľadá najmä izotop hélium 3 využiteľný ako energetický zdroj na Zemi. 
Japonsko sa tiež chystá na Mesiac a India ho už nedávno aj dosiahla. Japonci už načrtli plány svojich nadchádzajúcich misií k nášmu susedovi: Lunar-A a Selene. Japonská vesmírna agentúra (JAXA) dokonca plánuje obývanú lunárnu základňu. 
Prvým pokusom Indie bol automatický orbitálny satelit Čandraján-1, ktorý nasledovali misie Čandraján-2 a Čandraján-3. Posledná z nich v auguste 2023 úspešne dosadla na mesačný povrch.
Čínska sonda Čchang-e 3 sa po dlhom období stala v decembri 2013 prvou misiou, ktorá uskutočnila na Mesiaci mäkké pristátie. Ďalšia čínska sonda, Čchang-e 4, sa v januári 2019 stala prvou sondou v histórii, ktorá pristála na odvrátenej strane Mesiaca. Čchang-e 5 sa 16. decembra 2020 vrátila na Zem a priniesla z Mesiaca vzoriek. Ide o prvé vzorky po 40 rokoch. Svoju sondu k Mesiacu vypustilo po 47 ročnej pauze aj Rusko - išlo o pristávací modul Luna 25. Pristávací modul sa však rozbil o mesačný povrch.
Výsledky výprav, štúdií a výskumu je možné nájsť aj voľne prístupné. Napríklad anglické stránky Lunar and Planetary Institute.
Ľudské poznanie Mesiaca.
Mýty a ľudová kultúra.
"Hlavný článok: Mesiac (mytológia)"
Mesačný cyklus Mesiaca, oproti ročnému cyklu Slnka, býva v mnohých kultúrach spájaný so ženským menštruačným cyklom. Mnohé z najznámejších mytológií majú preto ženské mesačné božstvá, ako napríklad grécka bohyňa Seléné a Phoebe a ich olympská následníčka Artemis, ich rímske ekvivalenty Luna a Diana, alebo trácka Bendis. Tieto kultúry mali vo väčšine mužských bohov Slnka.
Aj keď spojenie ženskosti a Mesiaca je zreteľné, neboli výnimkou ani mužskí bohovia Mesiaca, ako napríklad Nanna alebo Sin v Mezopotámii, Mani v germánskej mytológii, Thoth v egyptskej, japonský boh Tsukuyomi a Tēcciztēcatl v aztéckej mytológii. Tieto kultúry mali zvyčajne ženské bohyne Slnka.
Mesiac ako múza.
"Hlavný článok: Mesiac v umení a literatúre"
Mesiac je zdrojom mnohých prác v umení a literatúre a inšpiráciou pre nespočetné množstvo iných. Je motívom vizuálneho umenia, filmov, poézie, prózy a hudby. K najznámejším patria Beethovenova "Sonáta mesačného svitu", vedecko-fantastické romány "Cesta na Mesiac" od Julesa Verna či "The Moon is a Harsh Mistress" (v češtine „Měsíc je drsná milenka“) od Heinleina.
Astrológia.
"Hlavný článok: Mesiac (astrológia)"
V západnej astrológii Mesiac symbolizuje princíp intuície, fantázie, podvedomej činnosti, citového života, snivosti a obrazotvornosti. Formuje psychiku a inšpiráciu. Ovláda všetky prírodné formy, rytmicitu orgánov. Vo všeobecnosti Mesiac predstavuje ženský princíp, kým na druhej strane Slnko reprezentuje mužský princíp.
V čínskej kozmológii je Mesiac identifikovaný so ženskosťou – jin. Je to najmä preto, že ženský menštruačný cyklus korešponduje s lunárnym mesiacom, približne 28 alebo 29 dní.
Vedecké poznanie.
5 000 rokov starý otesaný kameň v írskom Knowth asi predstavuje Mesiac, a ak je to pravda, tak ide o najstaršie dodnes objavené zobrazenie. V stredoveku, ešte pred vynájdením ďalekohľadu, už niektorí ľudia rozpoznali, že je Mesiac guľa, hoci si ešte mysleli, že je „dokonale takmer hladký“.
V roku 1609 nakreslil Galileo Galilei do svojej knihy "Sidereus Nuncius" jednu zo svojich prvých kresieb Mesiaca pozorovaného ďalekohľadom a poznamenal, že nie je hladký, ale má krátery. Neskôr v 17. storočí nakreslili Giovanni Battista Riccioli a Francesco Maria Grimaldi mapu Mesiaca a pomenovali mnoho kráterov menami, ktoré poznáme dodnes.
Na mapách sa temné časti mesačného povrchu nazývali „moria“ (po latinsky "mare", v množnom čísle "maria") a svetlejšie časti sú pevniny (po latinsky "terra", v množnom čísle "terrae"). Možnosť existencie vegetácie na Mesiaci či dokonca osídlenia „selenitmi“ seriózne spomínali niektorí významní astronómovia až do prvých desaťročí 19. storočia.
Ešte v roku 1835 sa veľa ľudí dalo „napáliť“ sériou článkov v denníku New York Sun o vymyslenom objave exotických zvierat žijúcich na Mesiaci. Naproti tomu prakticky v rovnakom čase (počas rokov 1834 – 1836) publikovali Wilhelm Beer a Johann Heinrich von Mädler svoje štvordielne kartografické dielo "Mappa Selenographica" a v roku 1837 knihu "Der Mond", ktorá solídnym spôsobom zdôvodnila záver, že Mesiac nemá žiadne vodné plochy ani pozorovateľnú atmosféru.
Spornou otázkou zostávalo, či sa rysy Mesiaca môžu meniť. Niektorí pozorovatelia prehlasovali, že isté malé krátery sa objavujú a zase miznú, v 20. storočí sa však zistilo, že ide o omyly, vzniknuté pravdepodobne rozdielnymi svetelnými podmienkami alebo nepresnosťami v starých nákresoch. Na druhej strane dnes vieme, že občas dochádza k javu odplyňovania.
Počas nacistického obdobia v Nemecku presadzovali nacistickí vodcovia teóriu "Welteislehre", ktorá prehlasovala, že Mesiac je tvorený pevným ľadom.
Odvrátená strana Mesiaca bola celkom neznáma až do preletu sondy Luna 3 v roku 1959. Jej rozsiahle zmapovanie bolo uskutočnené v rámci programu Lunar Orbiter v 60. rokoch 20. storočia.